Alu

Unidad Logica Aritmetica

1. LABORATORIO DE CIRCUITOS DIGUITALES
PROYECTO DE U III
MEMORIA RAM DE 4X4
Lema Edwin
Alegría Jaime
Bejarano Alan
[email protected]
[email protected]
[email protected]


Resumen:

En computación, la unidad aritmética lógica o
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 valores (generalmente uno o
dos) de los argumentos.
Por mucho, los circuitos electrónicos más
complejos 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) puede tener múltiples núcleos,
cada núcleo con múltiples unidades de
ejecución, cada una de ellas con múltiples
ALU.

Palabras Clave:
Memoria ALU, compuertas lógicas, switch,
circuito combinacional, bits, sotware.




ABSTRACT.

In computing, the logical arithmetic unit or
arithmetic-logical unit, also known as ALU
(acronym in English of arithmetic logic unit),
is a digital circuit that calculates arithmetic
operations (such as addition, subtraction,
multiplication, etc.) and logical operations (
yes, and, or, no), between values (usually one
or two) of the arguments.
By far, the most complex electronic circuits
are those that are built into modern
microprocessor chips. Therefore, these
processors have within them a very complex
and powerful ALU. In fact, a modern
microprocessor (and mainframes) can have
multiple cores, each core with multiple
execution units, each with multiple ALUs.

Keywords:

ALU memory, logic gates, switch,
combinational circuit, bits,
software.
1. GENERALIDADES :

2. 1.1 Introducción
El procesador después de acceder a memoria
principal para copiar la instrucción en el
registro de instrucción, inicia la secuencia de
acciones propias de cada instrucción. Muchas
de estas instrucciones consisten en la
transformación de datos mediante la
realización de operaciones lógicas o
aritméticas. Para realizar estas operaciones
existe un bloque especial de la CPU
denominado Unidad Aritmético Lógica
(ALU).
Gobernada por la unidad de control, la ALU
tiene como entradas os datos almacenados en
los registros internos de la CPU.
Adicionalmente, la ALU tiene como salida los
indicadores de estado que señalan las
características del resultado de la última
operación (por ejemplo, si el resultado ha sido
cero, negativo, etc.).
La ALU a su vez está compuesta por diversos
circuitos especializados en realizar una
transformación particular de los datos,
típicamente una operación aritmética o lógica.
Como ejemplo una ALU puede disponer de
una unidad de suma/resta de enteros, una
unidad de multiplicación de enteros, una
unidad de división de enteros y su equivalente
en punto flotante.
Estos módulos en los que se divide la ALU se
pueden clasificar en función de diversos
parámetros. Los criterios más habituales que
van a caracterizar los módulos de la ALU son:

1.2 Formulación del problema

¿Cómo diseñar una ALU de 4 bits donde se
pueda almacenar los datos que puedan ingresar
en cada uno de los puestos que pude almacenar
información ya sea números como letras o
frases?

1.3 Justificación del problema
La importancia de la elaboración de una ALU
de 4 bits la cual nos basamos en la parte teórica
es una de las partes primordiales en el estudio
ya que nos permite observar el funcionamiento
de la unidad aritmética lógica. Reforzando en
el estudiante el conocimiento teniendo la
certeza de la compresión de lo estudiado, para
posteriormente sea aplicado a la vida cotidiana.
1.4 Objetivos

Objetivos generales
Diseñar una memoria ALU que pueda
contener los requerimientos pedidos con el
conocimiento adquirido

Objetivos específicos
Utilizar compuertas lógicas y las basicas para
construir una ALU de 4 bits.
Utilizar conocimientos impartidos en el curso
para poder facilitar la construcción

1.5 Hipótesis
La unidad lógica aritmetica sistema que se
encuentra en una computadora ya que puede
almacenar diferentes operaciones, funciones y
generan.

1.5 Alcance
Por consiguiente, deseamos elaborar y demostrar
cada uno de los elementos la importancia que
tiene en cada parte de la unidad lógica aritmetica.


2. MARCO TEORICO:

3. 2.1 Introducción
LA UNIDAD ARITMETICO LOGICA
(ALU) La ALU, es la parte del computador que
realiza realmente las operaciones aritméticas y
lógicas con los datos. El resto de los elementos
del computador, (unidad de control, registros,
memoria, E/S), están principalmente para
suministrar datos. La ALU puede considerarse
como el “núcleo central del computador”.


2.2 Historia del arte
2.2.1 La ALU
Según Mandado, Mariño, & Lago ( El
procesador después de acceder a memoria
principal para copiar la instrucción en el
registro de instrucción, inicia la secuencia de
acciones propias de cada instrucción. Muchas
de estas instrucciones consisten en la
transformación de datos mediante la
realización de operaciones lógicas o
aritméticas. Para realizar estas operaciones
existe un bloque especial de la CPU
denominado Unidad Aritmético Lógica
(ALU).
Gobernada por la unidad de control, la ALU
tiene como entradas os datos almacenados en
los registros internos de la CPU.
Adicionalmente, la ALU tiene como salida los
indicadores de estado que señalan las
características del resultado de la última
operación (por ejemplo, si el resultado ha sido
cero, negativo, etc.).

La ALU a su vez está compuesta por diversos
circuitos especializados en realizar una
transformación particular de los datos,
típicamente una operación aritmética o lógica.
Como ejemplo una ALU puede disponer de
una unidad de suma/resta de enteros, una
unidad de multiplicación de enteros, una
unidad de división de enteros y su equivalente
en punto flotante.

Estos módulos en los que se divide la ALU se
pueden clasificar en función de diversos
parámetros. Los criterios más habituales que
van a caracterizar los módulos de la ALU
son:

Ilustración 1:Historia de la ALU
2.2.2 Características de la ALU
Según Floy (2007). Módulo combinacional o
secuencial. En el caso de módulos
combinacionales se tiene un circuito digital
combinacional, sin elementos de memoria. Si
se modifica uno de los operandos el resultado
se modifica con un retraso que vendrá dado por
la suma de los retrasos de todas las puertas que
intervienen en la operación.

Número de operandos del módulo. Hay
módulos que solamente emplean un operando,
como es el de la negación, pero habitualmente
la mayoría de los módulos realizan
operaciones que utilizan dos operadores, como
son la suma, división o AND lógico.
Incorporación de paralelismo al módulo. Si
el módulo realiza la operación bit a bit se dirá
que es serie, sin embargo, si se transforma toda
la palabra simultáneamente se dirá que es
paralelo. El primero es de tipo secuencial y
requiere tantas fases como dígitos tengan los
operandos, mientras que el segundo es de tipo
paralelo.

Operación aritmética o lógica. La operación
realizada puede ser de tipo lógico (AND, OR,

4. etc). O de tipo aritmético (suma,
multiplicación, etc).
Integración en la CPU. Puede ocurrir que
parte de los módulos de la ALU estén
integrados en la CPU (típicamente los que
realizan operaciones lógicas o aritméticas con
números enteros), y otros sean externos a la
CPU debido a que son muy complejos y
ocupan mucha superficie de silicio. Es el caso
de los coprocesadores matemáticos que se
utilizaban en procesadores.
Un ejemplo de módulo ALU es el sumador
elemental de 1 bit. Este operador es aritmético
y utiliza dos operandos. Suponiendo que una
palabra tiene una anchura de 8 bits, si se
conectan 8 sumadores elementales se obtiene
un sumador paralelo. Sin embargo, si la unidad
de control suministra de manera secuencial los
bits a una sola unidad de suma elemental y
almacena el resultado parcial en un registro, se
trata de un sumador serie.
La principal ventaja del operador serie es que
es más pequeño y por tanto ocupa menos
superficie de silicio. La desventaja de este
módulo es que es más lento que el operador
paralelo. Cabe destacar cómo el operador serie
ocupará más de 1/8 parte del módulo paralelo,
al incluir también la UC módulos que
secuencian las operaciones.

Ilustración 2: Tabla de la compuerta MUX

2.2.1 Estructura y operaciones de la ALU

La ALU está formada por un conjunto de
operadores, un conjunto de registros que van a
almacenar los operandos fuente y resultados
parciales y unos biestables de estado. El
órgano secuenciador (si hay operadores
secuenciales) se integran en la UC.
Las operaciones más complejas no se
implementan con circuitos combinacionales,
ya que requerirían una gran superficie de
silicio. Será la unidad de control la que se
encarga de generar la ejecución secuencial de
los algoritmos de las operaciones complejas.
Un ejemplo típico son las operaciones de
multiplicación y división. Este tipo de
operaciones en procesadores pequeños no
suele implementarse con lógica combinacional
dentro del operador, sino que su ejecución se
basa en sumas y restas elementales realizadas
en módulos combinacionales.
Las ALUs suelen tener varios operadores que
pueden funcionales independientemente de los
demás y en algunos casos en paralelo. El banco
de registros de propósito general sirve para
almacenar resultados de operaciones
intermedias, típicamente una ALU de tamaño
intermedio suele tener de 8 a 16 registros. En
algunas CPU existe un registro especial
llamado acumulador que recibe los resultados
del operador y ciertas operaciones sólo pueden
realizarse sobre el contenido del acumulador.
El registro de estado del procesador consta de
una serie de indicadores o flags que almacenan
información sobre el resultado de la última
operación realizada.
Las operaciones más frecuentes que
implementan los operadores de la ALU son las
siguientes:
Desplazamientos: lógicos, circulares
y aritméticos.
Operaciones lógicas: NOT, AND,
OR, XOR.
Operaciones aritméticas: suma, resta,
multiplicación y división.

5. Estas operaciones se pueden ejecutar
de diversas maneras, dependiendo del
paralelismo que implemente en cada una de
ellas. A mayor paralelismo, mayor rapidez;
pero habrá más unidades funcionales, con lo
que la ALU ocupará más superficie de silicio y
por tanto será más cara.

Las operaciones básicas y más
frecuentes (suma-7resta, desplazamientos y
operaciones lógicas) siempre se implementan
con una unidad combinacional específica. Los
procesadores más potentes incorporan
unidades específicas para realizar las
operaciones de multiplicación y división en
coma flotante, quedando para coprocesadores
aritméticos y programas específicos
operaciones como raíces y operaciones
trigonométricas.

OPERACIONES DE LA ALU
Una unidad aritmética y lógica (ALU) es un
circuito combinacional que desarrolla
microoperaciones lógicas y aritméticas de dos
operandos A y B de n bits. Las operaciones
llevadas a cabo por la ALU son controladas por
un grupo de entradas de selección de función.
Se debe diseñar una ALU de 4 bits con 3
entradas de selección de función: modo M,
entradas de selección S0 y S1. La entrada M
selecciona entre una operación lógica (M=0) y
una aritmética (M=1). Las funciones
desarrolladas por la ALU se muestran en la
siguiente tabla. Cuando se está realizando una
resta, asumiremos que el resultado es positivo
( p. ej. A>B cuando se hace A-B).

Tabla 1: Operaciones de la ALU

Con el fin de hacer el diseño más manejable se
divide el problema en módulos. En lugar de
diseñar una ALU de 4 bits como un solo
circuito, se implementará primero una ALU de
1 bit (bit-slice) para con base en ella montar el
circuito de 4 bits. Esta unidad tendría 6
entradas y dos salidas, lo cual la haría bastante
tediosa para su diseño por tablas. Una
alternativa está en separar esta unidad de 1 bit
en dos módulos: uno lógico y uno aritmético, y
realizar el diseño de cada módulo en forma
independiente.

Ilustración 3: Esquema modular de una ALU

6. Para el módulo aritmético estudie el
comportamiento de las entradas de un bit
para cada una de las operaciones. Puede
utilizarse un circuito Sumador completo
(Full Adder).
Cuando se trabaja con complemento a 2´s
para calcular A-B ó B-A, es posible que el
bit de carry sea generado dando un
resultado erróneo. Por ejemplo, si A=1101
(13) y B=0000 (0) , A-B=A+B´+1 = 1101
+ 1111 +1 = 1 1101, que es igual a 29 en
lugar de 13. Esto es porque el bit de carry
en 1101 debería ser eliminado para dar:
1101. Se puede prevenir este error usando
un circuito lógico que suministrará un 0
siempre y cuando las funciones A-B ó B-A
han sido seleccionadas por (S0,S1,M), y de
otra manera suministrará la salida de Carry
Out Co del 4º bit de la ALU.
MATERIALES:
COMPUER
TA
CANTIDA
D
GRAFICO
OR 5

AND 7

FLIP FLOP 14

DECO 3

NOT 5

MUX 4

DEMUX 4

XOR 4


OTROS PATERALES

MARTERIAL CANTIDAD GRAFICO
ALAMBRE 4m

DIODO
LED
10

FUENTE 1


3. PROCEDIMIENTO:

Advertencia: ¡Polarizar bien las compuertas
logicas!
1. Conseguir las compuertas a utilizar y otros
materiales complementarios
2. Realizar por fases la ALU para poder
realizar mejor el proyecto
3. Verificar todos los materiales en buen
estado principalmente los Protoboards

7. Figura 4: Revisión de los materiales
4. Realizar la estructura de la ALU.


Figura 5: verificación de los diodos
5. Verificar en la simulación de Proteus

Figura 6: Circuito en Proteus A
2
Y0
4
B
3
Y1
5
Y2
6
E
1
Y3
7
U3:A
74S139
1
1
0
0
0
1
U1
NOT
U2
NOT
U4
NOT
U5
NOT
S0
S1
A1
10
S1
9
A2
8
S2
6
A3
3
S3
2
A4
1
S4
15
B1
11
B2
7
B3
4
B4
16
C0
13
C4
14
U11
74LS83
00000000 0
U6
AND
U7
AND
U8
AND
U9
AND
U10
AND
U12
AND
U13
AND
U14
AND
U15
XOR
U16
XOR
U17
XOR
U18
XOR
A0
10
A1
12
A2
13
A3
15
B0
9
B1
11
B2
14
B3
1
A<B
2
QA<B
7
A=B
3
QA=B
6
A>B
4
QA>B
5
U19
7485
U20
AND
U21
AND
U22
AND
U23
AND
U24
AND
U25
AND
U26
AND
U27
AND
U28
ORU29
ORU30
ORU31
OR
U32
AND
U33
AND
U34
AND
U35
AND
U36
AND
U37
AND
U38
AND
U39
AND
U40
AND
U41
ANDU42
ANDU43
ANDU44
AND
U45
OR
U46
OR
U47
OR
U48
OR
U49
OR
U50
OR
U51
OR
U52
OR
U53
OR
U54
OR
U55
ORU56
ORU57
ORU58
OR
U59
XORU60
XOR
U61
XOR
U62
XOR
U63
OR
U64
OR
U65
OR
?
U66
AND
U67
XOR
U68
XOR
U69
XOR
U70
XOR
U71
XOR
U72
NOT
U73
NOT
U74
NOT
U75
NOT
U76
NOT
U77
NOT
U78
NOT
U79
NOT
U80
AND
U81
AND
U82
AND
U83
AND
U84
OR
U85
OR
U86
OR
U87
OR
U88
AND
U89
AND
U90
AND
U91
AND
U92
NOTU93
NOTU94
NOTU95
NOT
U96
AND
U97
AND
U98
AND
U99
AND
U100
AND
U101
AND
U102
AND
U103
AND
U104
ORU105
ORU106
ORU107
OR
?
?
?
?
U108
AND
U109
AND
U110
AND
U111
AND
U112
AND
U113
AND
U114
AND
U115
AND

8. Figura 7: Circuito completo de la la memoria


4. RESULTADOS OBTENIDOS:
Sumador restador de 4 bits
A B C I CO S
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 0 0 1
0 1 1 1 0
1 0 0 0 1
1 0 1 1 0
1 1 0 1 0
1 1 1 1 1

5. PREGUNTAS
1. ¿Qué es una memoria ram?
La memoria RAM es la memoria
principal de un dispositivo donde se
almacena programas y datos
informativos. Las siglas RAM significan
“Random Access Memory” traducido al
español es “Memoria de Acceso
Aleatorio”.
2. En donde se puede aplicar una memoria
ram
En una computadora o una laptop


6. CONCLUSIONES

 Al finalizar el proyecto quedo más
claro el funcionamiento de circuitos
combinacionales, y el funcionamiento
de ALU, aunque muy primitiva pero así
comprendemos más el funcionamiento
de lo que hace una computadora por
dentro por medio de esta memoria ram
primitiva que solo consta de 2
operaciones que es la suma y la resta.
También el uso de nuestra fuente de
poder fue importante para la
alimentación de nuestro circuito. Otra
herramienta importante fue usar un
multímetro para detectar posibles
errores en la alimentación de los
circuitos.
 Resulto ser una buena experiencia en
nuestro caso ya que nunca habíamos
trabajado con este tipo de material para
entender cómo puede estar armada una
computadora por dentro y entender más
su funcionamiento interno.

7. RECOMENDACIONES

 Verificar el funcionamiento de las
compuertas y materiales a utilizar en el
proyecto.
 Verificar que el circuito este armado
adecuadamente.
 Se recomienda polarizar las
compuertas adecuadamente.

8. BIBLIOGRAFIA.


•TEORÍA DE CIRCUITOS Y
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS,
BOYLESTAD & NASHELSKY, décima

9. edición,2009, PEARSON -PRENTICE
HALL.

•DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS,
FLOYD THOMAS L, octava edición, 2007,
PEARSON EDUCACIÓN

Bibliógrafa de la web
 http://es.slideshare.net/JulianS08/sum
ador-completo-7855356
 http://www.electronica.com.es/conte
nt/26-restadores-binarios
 http://www.virtual.unal.edu.co/curs
os/ingenieria/2000477/lecciones/03
0801. htm
 http://www.electronicafacil.net/circui
tos/Multivibrador-astable-con-
555.html
 https://sites.google.com/site/tecnoies
villena/circuito-555
 http://www.mastermagazine.info/ter
mino/3824.php
 http://www.virtual.unal.edu.co/curs
os/ingenieria/2000477/lecciones/03
0601. htm.

ANEXOS

Anexo 1: