Manejo de registros con unidad aritmética-lógica

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NOMBRE DE LA PRÁCTICA
Manejo de registros con unidad aritmética-lógica 
MATERIAL UTILIZADO
74157 Multiplexor de dos canales
7447 Decodificador BCD-siete segmentos
74153 Multiplexor de cuatro canales
7483 Sumador completo de 4 bits
Display de ánodo común
Protoboard 
Cables calibre 22
INTRODUCCIÓN
En computación, la unidad aritmético lógica, también conocida
como ALU (siglas en inglés de arithmetic logic unit), es un circuito
digital que calcula operaciones aritméticas (como suma, resta,
multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre dos
números.
Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún
tipo de operación aritmética, así que incluso el circuito dentro
de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se mantiene
sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si
debe activar el pitido del temporizador, etc.
Por mucho, los más complejos circuitos electrónicos son los que
están construidos dentro de los chips de microprocesadores
modernos. Por lo tanto, estos procesadores tienen dentro de
ellos un ALU muy complejo y potente. De hecho, un
microprocesador moderno (y los mainframes) pueden tener
múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de
ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU.
Muchos otros circuitos pueden contener en el interior una
unidad aritmético lógica: unidades de procesamiento gráfico
como las que están en las GPU NVIDIA y AMD, FPU como el viejo
coprocesador matemático 80387, y procesadores digitales de
señales como los que se encuentran en tarjetas de sonido
Sound Blaster, lectoras de CD y los televisores de alta definición.
Todos éstos tienen en su interior varias ALU potentes y complejas.
Una ALU debe procesar números usando el mismo formato que
el resto del circuito digital. Para los procesadores modernos, este
formato casi siempre es la representación del número binario de
complemento a dos. Las primeras computadoras usaron una
amplia variedad de sistemas de numeración, incluyendo
complemento a uno, formato signo-magnitud, e incluso
verdaderos sistemas decimales, con diez tubos por dígito.
Las ALU para cada uno de estos sistemas numéricos mostraban
diferentes diseños, y esto influenció la preferencia actual por el
complemento a dos, debido a que ésta es la representación
más simple, para el circuito electrónico de la ALU, para calcular
adiciones y sustracciones, etc.
Un típico símbolo esquemático para una ALU: A y B son
operandos; R es la salida; F es la entrada de la unidad de
control; D es un estado de la salida.
Operaciones simples
La mayoría de las ALU pueden realizar las siguientes
operaciones:
 Operaciones aritméticas de números enteros (adición,
sustracción, y a veces multiplicación y división, aunque
esto es más complejo)
 Operaciones lógicas de bits (AND, NOT, OR, XOR, XNOR)
 Operaciones de desplazamiento de bits (Desplazan o
rotan una palabra en un número específico de bits hacia
la izquierda o la derecha, con o sin extensión de signo). Los
desplazamientos pueden ser interpretados como
multiplicaciones o divisiones por 2.
Entradas y salidas
Las entradas a la ALU son los datos en los que se harán las
operaciones (llamados operandos) y un código desde la unidad
de control indicando qué operación realizar. Su salida es el
resultado del cómputo de la operación.
En muchos diseños la ALU también toma o genera como
entradas o salidas un conjunto de códigos de condición desde
o hacia un registro de estado. Estos códigos son usados para
indicar casos como acarreo entrante o saliente, overflow,
división por cero, etc.
Unidad Aritmética y Lógica (ALU)
Su misión es realizar las operaciones con los datos que recibe,
siguiendo las indicaciones dadas por la unidad de control.
El nombre de unidad aritmética y lógica se debe a que puede
realizar operaciones tanto aritméticas como lógicas con los
datos transferidos por la unidad de control. La unidad de control
maneja las instrucciones y la aritmética y lógica procesa los
datos. Para que la unidad de control sepa si la información que
recibe es una instrucción o dato, es obligatorio que la primera
palabra que reciba sea una instrucción, indicando la naturaleza
del resto de la información a tratar.
Para que la unidad aritmética y lógica sea capaz de realizar
una operación aritmética, se le deben proporcionar, de alguna
manera, los siguientes datos:
1. El código que indique la operación a efectuar.
2. La dirección de la celda donde está almacenado el primer
sumando.
3. La dirección del segundo sumando implicado en la
operación.
4. La dirección de la celda de memoria donde se almacenará
el resultado.
METODOLOGÍA
Los valores de entrada se llevan directamente a las puertas, y
mediante un multiplexor elegimos la salida de una u otra puerta,
es decir, elegimos el resultado de una u otra operación. En esta
figura aparece la construcción de esta unidad de operación
lógica.
Resultado
Implementación de las operaciones lógicas en una ALU de 1 bit.
El siguiente paso a dar en la construcción de nuestra ALU
elemental de un bit será incorporar las operaciones aritméticas.
Para ello utilizamos un bloque sumador, este bloque sumador ya
ha sido desarrollado en el tema de circuitos combinacionales.
Esquema del bloque sumador elemental de 1 bit
En esto tomamos en cuenta que el bloque sumador tenía tres
entradas, dos entradas para los bits a sumar y la tercera entrada
para el carry de la suma anterior o carry previo, que aquí
llamaremos carry in.
Las salidas del bloque sumador serán el bit de resultado y el bit
de carry de salida, que aquí llamaremos carry out, y que a su
vez será carry in para el siguiente sumador. El bloque por el que
representaremos el sumador.
Si ahora incorporamos el bloque sumador a nuestra ALU, que
sólo realizaba operaciones lógicas, tendremos una primera ALU
elemental capaz de realizar operaciones lógicas y aritméticas. 
En esta primera ALU elemental, existen cuatro posibles
operaciones, AND, OR, XOR y Suma, a partir de los mismos
operandos de entrada. La elección de una u otra se realiza a
través del multiplexor, la combinación binaria que aparece en
las líneas de selección del multiplexor indicarán cuál de las
entradas (qué operación) aparece a la salida de nuestra ALU
elemental. 
La combinación binaria de entrada viene dada por la señal
Operación (compuesta por dos bits) que se corresponde con la
operación que queremos realizar. 
Esq
Esquema de una ALU elemental con operaciones lógica y
Sumador elemental
Queda ahora por añadir a esta ALU inicial la capacidad de
restar dos bits. Realizar la operación de restar es igual que sumar
la versión negativa de un operando, o lo que es lo mismo: (A - B)
= A + (-B). Es de esta forma como los sumadores realizan la resta.
Cuando se explicó la codificación de números enteros se vieron
varios formatos; uno de ellos es el denominado complemento a
dos. En complemento a dos se vio que era posible representar
números positivos y negativos. Los números positivos se
representaban de la misma forma que en binario natural, y los
números negativos se obtenían a partir de la codificación
binaria del número considerado como positivo y luego
complementándolo a dos, o lo que es lo mismo, invertir los bits
de la codificación binaria del número (los ceros pasan a unos y
los unos a ceros, esta operación a veces se denomina
complemento a uno), y al resultado de la operación anterior
sumarle 1.
Para construir la operación aritmética de resta, si en nuestro
esquema de ALU elemental añadimos un nuevo multiplexor que
nos permita elegir entre el operando B o su negado, ya
tendremos la mitad del camino recorrido (obtención del inverso
de la combinación binaria del número a restar). La señal Resta
controlará quéentrada del multiplexor se tomará, la normal o la
invertida.
Para obtener el número negativo aún hemos de sumar 1 al
número invertido. 
Cada sumador elemental hemos visto que tiene tres entradas,
los operandos A y B y la entrada carry in o carry de la suma
anterior. Sin embargo, el primer sumador elemental, o el que
suma los bits menos significativos, no necesitaría la señal carry in,
puesto que no existe ninguna suma anterior. Tendremos:
A + B + 1 = A + (B +1) = A + (-B) = A – B
Esquema de una ALU elemental capaz de realizar la resta de
operandos
Por tanto, con este esquema seremos capaces de realizar la
resta de dos números. Observar que no se ha aumentado
excesivamente la complejidad de la ALU elemental para realizar
las operaciones de suma y resta, y es por este motivo que se
utiliza el complemento a dos como estándar para la aritmética
entera en los computadores.
Con esto finalizamos la construcción de la ALU elemental, que
servirá de base para la construcción de una ALU completa. 
TABLA DE FUNCIONES DEL C.I. DM74LS181N
CONCLUSIONES
Con esta práctica, podemos concluir que esta unidad es la
encargada de realizar las operaciones elementales de tipo
aritmético (generalmente sumas o restas) y de tipo lógico
(generalmente comparaciones) en los computadores.
El uso de los multiplexores en el diseño de circuitos
combinacionales, es una herramienta eficiente para simplificar
la aplicación de los mismos.
El uso de los multiplexores, además de disminuir el tamaño de los
circuitos, también disminuye considerablemente su costo y el
procedimiento de mantenimiento.
También esto se relaciona con el componente principal de los
computadores, que es la CPU o unidad central de proceso UCP
es el verdadero cerebro de la computadora; su misión consiste
en coordinar y controlar o realizar todas Las operaciones del
sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es
exclusivamente electrónica (circuitos). 
La unidad central de proceso UCP es el verdadero cerebro de
la computadora; su misión consiste en coordinar y controlar o
realizar todas Las operaciones del sistema. Se compone de
elementos cuya naturaleza es exclusivamente electrónica
(circuitos).
Sus partes principales son Las siguientes:
 El Procesador (P). Que a su vez se compone de: 
o La unidad de control (UC).
o La unidad aritmético – lógica (UAL).
 La Memoria Central (MC).
La unidad central de proceso también incorpora un cierto
número de registros rápidos (pequeñas unidades de memoria)
de propósito especial, que son utilizados internamente por la
misma.
	Operaciones simples
	Entradas y salidas