How Computers Calculate - the ALU: Crash Course Computer Science #5

Summary

En este episodio, Carrie Ann nos guía a través del funcionamiento de la Unidad Aritmética y Lógica (ALU) de una computadora, explicando cómo realiza operaciones matemáticas como la suma usando puertas lógicas. Comienza con la suma binaria de 1 bit, avanzando hacia sumadores completos y adder de acarreo de 8 bits. También introduce la Unidad de Lógica, que realiza operaciones como AND, OR y pruebas numéricas. Al final, demuestra cómo estos componentes se combinan en una ALU avanzada, esencial para la computación moderna. Una explicación clara y accesible sobre cómo las computadoras realizan cálculos sin necesidad de mecanismos complejos.

Takeaways

• 😀 El ALU (Unidad Aritmética y Lógica) es la parte más importante de un computador que realiza todas las operaciones matemáticas.
• 😀 La unidad aritmética del ALU maneja operaciones simples como la suma, resta y el incremento, siendo la suma de dos números binarios uno de sus componentes clave.
• 😀 Un sumador simple de un solo bit puede ser construido usando puertas lógicas XOR y AND, y se llama medio sumador.
• 😀 Un sumador completo agrega tres bits (A, B y el acarreo) y puede ser construido utilizando dos sumadores medios y una puerta OR.
• 😀 Un sumador de acarreo en cadena de 8 bits utiliza una cadena de sumadores completos para sumar dos números de 8 bits, manejando el acarreo entre cada columna.
• 😀 Un desbordamiento ocurre cuando el resultado de una suma excede el número máximo de bits disponibles, como se vio en el juego de PacMan original.
• 😀 Las unidades ALU más simples no tienen circuitos dedicados para multiplicación y división; en cambio, se usan sumas repetidas para estos cálculos.
• 😀 Los ALUs más avanzados tienen circuitos dedicados para multiplicación, pero son más complejos y requieren más puertas lógicas.
• 😀 La unidad lógica del ALU realiza operaciones como AND, OR y NOT, y también puede realizar pruebas numéricas, como verificar si un número es cero.
• 😀 Los ALUs modernos incluyen banderas (Flags) como la bandera de cero, negativa y de desbordamiento, que indican el estado de las operaciones y son esenciales para las comparaciones.
• 😀 Los ALUs también utilizan códigos de operación de 4 bits para especificar qué operación realizar, como la suma o resta, y tienen una salida de 8 bits como resultado.

Q & A

¿Qué es una Unidad Aritmético-Lógica (ALU)?

Una ALU es una parte fundamental de una computadora responsable de realizar operaciones aritméticas (como suma y resta) y lógicas (como AND, OR, NOT). Es esencial para todas las computaciones dentro de una computadora.

¿Cuál fue la importancia del Intel 74181 en la historia de las ALUs?

El Intel 74181, lanzado en 1970, fue la primera ALU completa que encajaba dentro de un solo chip, un avance significativo en miniaturización y capacidad de procesamiento de datos en la época.

¿Cómo se construye un sumador de un solo bit?

Un sumador de un solo bit se construye utilizando puertas lógicas XOR y AND. La puerta XOR maneja la suma de 0+0, 1+0 y 0+1, mientras que la puerta AND maneja el acarreo de 1+1.

¿Qué es un sumador completo y por qué es necesario?

Un sumador completo suma tres bits: dos bits de entrada y un bit de acarreo. Es necesario porque en una adición de múltiples bits, el acarreo de una columna debe ser sumado con los bits de la siguiente columna.

¿Qué es un 'ripple carry adder' y por qué se llama así?

Un 'ripple carry adder' es un circuito que realiza sumas de varios bits en serie, donde el acarreo de cada adición se transmite a la siguiente columna. Se llama 'ripple' porque el acarreo 'se propaga' como ondas a través de los sumadores.

¿Qué es un desbordamiento (overflow) en un ALU?

Un desbordamiento ocurre cuando el resultado de una suma excede el límite de los bits disponibles, como cuando se suman dos números de 8 bits y el resultado supera el valor máximo que 8 bits pueden representar (255).

¿Cómo se evita el desbordamiento en las ALUs modernas?

Para evitar desbordamientos, las ALUs modernas utilizan circuitos con más bits, como adder de 16 o 32 bits, lo que reduce la probabilidad de que se produzca un desbordamiento, aunque añade más complejidad al circuito.

¿Cómo se realiza la multiplicación en un procesador simple?

En un procesador simple, la multiplicación se realiza mediante sumas repetidas. Por ejemplo, multiplicar 12 por 5 es lo mismo que sumar 12 cinco veces. Este método es más lento que un circuito de multiplicación dedicado.

¿Qué funciones realiza la unidad lógica (Logic Unit) de un ALU?

La unidad lógica de un ALU realiza operaciones lógicas como AND, OR, y NOT, y también realiza pruebas numéricas como verificar si un número es negativo o si el resultado de una operación es cero.

¿Qué son las 'flags' en una ALU y cuáles son las más comunes?

Las 'flags' son señales de un solo bit que indican el estado de ciertos eventos en las operaciones del ALU. Las más comunes son la 'Zero Flag' (para indicar si el resultado es cero), la 'Negative Flag' (para indicar si un número es negativo) y la 'Overflow Flag' (para indicar si hubo un desbordamiento).