基于ARM的嵌入式原理与应用：ALU的功能与特点

一.定义

我们知道，一个CPU由控制单元CU（Control Unit），算数/逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）和存储单元MU（Memory Unit）三大部分组成。而我们的ALU在CPU里则主要进行数据的算数运算和逻辑运算。它是计算机中负责运算的“大脑”，能够处理加法、减法、乘法、除法等基本算术运算，以及与、或、非、异或等逻辑运算。ALU还能执行一些辅助运算，如移位和求补操作。

命名：算术逻辑单元（Arithmetic&Logic Unit），简称ALU
组成：ALU有2个单元，算术单元（Arithmetic Unit）和逻辑单元（Logic Unit），算术单元负责计算机里的所有数字操作
作用：计算机中负责运算的组件，处理数字/逻辑的最基本单元

二.功能 算术运算：ALU能够执行基本的算术运算，包括加法、减法、乘法和除法。在许多ALU设计中，还可以处理更复杂的运算，如求模、增量（加一）和减量（减一）等。

• 逻辑运算：ALU执行逻辑运算，如与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等。这些运算通常用于条件判断和位操作。
• 移位操作：ALU可以进行位序列的左移（SHL）和右移（SHR），以及算术移位。
• 比较操作：ALU能够比较两个数值的大小，并设置相应的标志（如进位标志、零标志、符号标志等）以指示比较结果。

三.结构

构成ALU最基本的构件是一位全加器（两个数相加，接受受低位进位，输出结果和向高位的进位）

一位全加器+函数发生器可以构成一位全功能全加器，不仅可以进行算数运算还可以进行逻辑运算

由一位全功能全加器经过复合、级联、优化设计得到实际中的ALU 

四.特点

• 并行处理能力：ALU能够同时对多个位进行操作，这使得它能够快速处理数据。
• 高速度：由于ALU是CPU执行运算的核心部分，因此它通常设计得非常快速，以适应高速的数据处理需求。
• 固定操作周期：ALU执行运算通常在一个或几个时钟周期内完成，保证了运算的稳定性和可预测性。
• 有限的操作集：虽然ALU能执行多种类型的运算，但它的操作集是固定的，这意味着它只能执行那些在硬件中预先定义的操作。
• 数据宽度：ALU的数据宽度通常与CPU的字长相同，例如32位、64位等，这决定了ALU一次可以处理的数据量。
• 标志寄存器：ALU的操作结果常常会影响标志寄存器中的特定位，这些标志可以用于后续的决策过程，如跳转指令的条件判断。
• 可编程性：ALU的操作可以通过指令来控制，这使得它可以灵活地执行各种不同的运算任务。

五.实例说明假设 R2 = 5, R3 = 3

指令: ADD R1, R2, R3

步骤:
1. CU 获取指令 ADD R1, R2, R3
2. CU 解码指令，识别操作和寄存器
3. CU 从寄存器文件获取 R2 和 R3 的值（5 和 3）
4. ALU 执行加法运算: 5 + 3 = 8
5. ALU 将结果 8 发送给 CU
6. CU 将结果 8 写入 R1
7. ALU 设置标志位（如果没有溢出，则进位标志为0，结果不为零，所以零标志为0）
8. CU 更新 PSW 中的标志位
9. CU 准备执行下一条指令