Computadora de 4 Bits - Capítulo 5: Unidad Aritmética Lógica (ALU)

Summary

En este capítulo se explica el funcionamiento de una computadora de 4 bits, destacando el papel de la unidad aritmética y lógica (ALU) en la ejecución de operaciones lógicas y aritméticas. Se abordan conceptos como el uso de compuertas lógicas (AND, NAND) y cómo se implementan operaciones aritméticas como la suma mediante un sumador completo (Full Adder). También se explica cómo las señales de control y los registros permiten realizar operaciones más complejas y cómo la ALU, aunque sencilla, puede realizar varias funciones combinando componentes lógicos básicos. El video incluye un circuito simplificado diseñado por el autor para ilustrar estos conceptos.

Takeaways

• 😀 En este capítulo se explica el funcionamiento de una computadora de 4 bits, enfocándose en la unidad aritmética y lógica (ALU).
• 😀 La ALU realiza operaciones tanto lógicas (como AND, OR, NOT) como aritméticas (como suma, resta, multiplicación y división).
• 😀 La arquitectura de la ALU se basa en entradas de 4 bits, con señales de control y salida, y se conecta a un acumulador.
• 😀 Se describe cómo funciona el circuito simplificado de una ALU que tiene una operación lógica NAND y una operación aritmética de suma.
• 😀 El integrado 74HC283 es utilizado para realizar la suma de 4 bits, considerando el acarreo o 'carry' cuando hay desbordamientos.
• 😀 Se explica cómo el 'carry out' permite que se realicen sumas más grandes, usando cascada de chips para lograr operaciones de 8 bits.
• 😀 Las operaciones lógicas y aritméticas en esta computadora se realizan paso a paso, utilizando compuertas y registros.
• 😀 El NAND es una compuerta universal que permite realizar otras operaciones lógicas (AND, OR, NOT) conectando adecuadamente los pines.
• 😀 La suma es el fundamento para muchas otras operaciones aritméticas, como la multiplicación y la resta, que se realizan mediante sumas sucesivas.
• 😀 El circuito también incluye un selector que permite cambiar entre las operaciones de suma y NAND, usando un bit de control.
• 😀 La ALU no tiene memoria RAM, pero utiliza registros y buffers para almacenar resultados intermedios y realizar operaciones condicionales como saltos en el código.

Q & A

¿Qué es una unidad aritmética y lógica (ALU)?

La ALU es una parte del procesador encargada de realizar operaciones tanto aritméticas (como suma, resta, multiplicación y división) como lógicas (como AND, NAND, OR, NOT) sobre los datos que recibe. En una computadora de 4 bits, la ALU procesa entradas de 4 bits y produce resultados de 4 bits.

¿Cuáles son las operaciones lógicas que realiza la ALU?

Las operaciones lógicas que realiza la ALU incluyen AND, NAND, OR, NOT, entre otras. Estas operaciones se realizan utilizando compuertas lógicas, como las compuertas NAND.

¿Qué es un sumador completo (full adder) y cómo funciona?

Un sumador completo es un circuito lógico que suma dos números binarios de 4 bits y maneja el acarreo, que ocurre cuando el resultado de la suma excede la capacidad de los 4 bits. El sumador completo incluye una entrada de acarreo y una salida de acarreo que permite conectar varios sumadores para realizar sumas de mayor longitud.

¿Cómo se maneja el acarreo en una operación de suma en una computadora de 4 bits?

Cuando el resultado de una suma excede el valor máximo representable con 4 bits (15 en decimal o F en hexadecimal), se activa el pin de acarreo. Este pin señala que el resultado se ha desbordado y que es necesario usar el acarreo para sumar en un siguiente ciclo o bit adicional.

¿Cómo se conectan los sumadores completos para realizar sumas de 8 bits?

Para realizar sumas de 8 bits, se conectan dos sumadores completos de 4 bits en cascada. El acarreo de la salida de un sumador completo se conecta a la entrada de acarreo del siguiente, permitiendo que la suma de 8 bits sea procesada correctamente.

¿Qué función tiene la compuerta NAND en la ALU?

La compuerta NAND realiza una operación lógica en la que su salida es '1', excepto cuando ambas entradas son '1', lo que da una salida de '0'. Además, la compuerta NAND es universal, lo que significa que puede ser utilizada para construir cualquier otra compuerta lógica (AND, OR, NOT, etc.).

¿Por qué se utiliza la compuerta NAND en lugar de otras compuertas lógicas?

La compuerta NAND se utiliza porque es una compuerta lógica universal, lo que significa que con una sola compuerta NAND se pueden construir otras compuertas lógicas como AND, OR, y NOT, lo que la hace muy versátil y económica para la construcción de circuitos lógicos.

¿Cómo se maneja la overflow (desbordamiento) al sumar dos números en la ALU?

Cuando se suman dos números en la ALU y el resultado supera el valor máximo que se puede representar con 4 bits (15 o F en hexadecimal), se activa la señal de acarreo. Esto indica que el número resultante se desbordó y no cabe en la salida de 4 bits.

¿Qué es un selector (74 157) y cómo se utiliza en la ALU?

El selector 74 157 es un circuito integrado que actúa como un conmutador. Tiene dos entradas y selecciona cuál de ellas se va a enviar a la salida, dependiendo del valor de una señal de control. En la ALU, se usa para elegir entre realizar una operación aritmética (suma) o lógica (NAND), según lo indique la señal de control.

¿Qué son los registros y buffers en el contexto de la ALU?

Los registros son pequeñas memorias dentro de la ALU que se usan para almacenar temporalmente los valores durante las operaciones. Los buffers funcionan de manera similar, pero principalmente se usan para aislar y almacenar señales de control, ayudando a gestionar el flujo de datos entre los diferentes componentes del sistema.