Unidad aritmética lógica para niños
En el mundo de las computadoras, la Unidad Aritmético Lógica, o ALU por sus siglas en inglés (Arithmetic Logic Unit), es una parte muy importante. Es un circuito digital que se encarga de hacer cálculos matemáticos como sumas y restas. También realiza operaciones lógicas, que son como decisiones simples (por ejemplo, SI, Y, O, NO) con los números que recibe.
Las ALU son componentes clave en los microprocesadores modernos, que son como el "cerebro" de las computadoras. Los procesadores de hoy en día son tan avanzados que pueden tener varias ALU trabajando al mismo tiempo. Esto les permite hacer muchas operaciones muy rápido.
Otros dispositivos electrónicos también usan ALU en su interior. Por ejemplo, las unidades de procesamiento gráfico (GPU) de las computadoras, que ayudan a mostrar imágenes y videos. También se encuentran en procesadores digitales de señales, que están en aparatos como tarjetas de sonido, reproductores de CD y televisores de alta definición. Todos estos aparatos necesitan ALU potentes para funcionar bien.
Contenido
Historia de la ALU: La idea de Von Neumann
¿Quién propuso la ALU?
El matemático John von Neumann fue quien propuso la idea de la ALU en 1945. Él escribió un informe fundamental sobre cómo debería funcionar una nueva computadora llamada EDVAC (Computador Automático Variable Discreto Electrónico).
El diseño del IAS Machine
Más tarde, en 1946, Von Neumann y sus colegas diseñaron una computadora para el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (IAS). Esta máquina, conocida como IAS machine, se convirtió en el modelo para muchas computadoras futuras. En su propuesta, Von Neumann explicó que una ALU era esencial para cualquier computadora.
¿Por qué es fundamental la ALU?
Von Neumann creía que una ALU era un requisito básico porque las computadoras necesitan realizar operaciones matemáticas fundamentales. Estas operaciones incluyen la suma, resta, multiplicación y división. Por eso, pensó que era "razonable que una computadora debería contener los órganos especializados para estas operaciones".
Sistemas numéricos en la ALU
¿Cómo procesa números una ALU?
Una ALU debe trabajar con números en el mismo formato que el resto de la computadora. Hoy en día, casi todas las computadoras usan el sistema binario de complemento a dos. Este sistema representa los números usando solo ceros y unos.
Evolución de los sistemas numéricos
Las primeras computadoras usaban diferentes formas de representar los números. Algunas usaban el complemento a uno o el formato signo-magnitud. Incluso había sistemas decimales que usaban diez "tubos" para cada dígito.
Los diseños de las ALU cambiaban según el sistema numérico. El sistema de complemento a dos se hizo popular porque es el más sencillo para que los circuitos electrónicos de la ALU realicen sumas y restas de manera eficiente.
Funcionamiento básico de una ALU
Componentes principales de una ALU
Una ALU está formada por varias partes clave:
- Circuito Operacional: Es donde se realizan los cálculos.
- Registros de Entradas: Almacenan los números con los que se va a operar.
- Registro Acumulador: Guarda los resultados intermedios o finales.
- Registro de Estados: Muestra información sobre el resultado de la operación (por ejemplo, si hubo un "acarreo" o si el resultado fue cero).
¿Cómo trabaja la ALU en la computadora?
La mayoría de las tareas que hace una computadora son realizadas por la ALU. La ALU toma los datos de los registros del procesador. Luego, procesa estos datos y guarda los resultados en sus propios registros de salida. Otros mecanismos se encargan de mover estos datos entre los registros y la memoria de la computadora.
Una unidad de control es la que le dice a la ALU qué operación debe realizar. Es como el director de orquesta que le da las instrucciones.
Detalle de una ALU simple
La imagen muestra una ALU simple de 2 bits. Tiene dos entradas, A y B. A[0] y B[0] son los bits menos importantes, y A[1] y B[1] son los bits más importantes.
Cada bit se procesa de forma similar, excepto por el "acarreo". El acarreo es como cuando sumas 5 + 5 y el resultado es 10; el "1" se "acarrea" a la siguiente posición.
Las entradas A y B pasan por varias "puertas" lógicas (XOR, AND, OR). Estas puertas realizan las operaciones básicas. Al final, un "multiplexor" selecciona cuál de las operaciones se va a usar, según una señal de control llamada OP.
Por ejemplo:
- OP = 000 → Realiza la operación XOR.
- OP = 001 → Realiza la operación AND.
- OP = 010 → Realiza la operación OR.
- OP = 011 → Realiza una suma.
Las señales de acarreo (entrada y salida) se conectan a un registro de estado. Esto permite que la computadora sepa si una operación generó un acarreo o si hubo algún problema.
Tipos de operaciones que realiza una ALU
Operaciones simples
La mayoría de las ALU pueden hacer estas operaciones:
- Operaciones aritméticas: Suma, resta, y a veces multiplicación y división (aunque estas son más complejas).
- Operaciones lógicas: Como AND, NOT, OR, XOR, XNOR. Estas operaciones comparan bits.
- Operaciones de desplazamiento: Mueven los bits de un número hacia la izquierda o la derecha. Esto puede ser útil para multiplicar o dividir por 2 de forma rápida.
Operaciones complejas
Un ingeniero puede diseñar una ALU para hacer cualquier operación, por muy complicada que sea. Sin embargo, cuanto más compleja es la operación, más cara es la ALU, más espacio ocupa en el procesador y más energía consume.
Por eso, los ingenieros buscan un equilibrio. Quieren que la ALU sea lo suficientemente potente para calcular rápido, pero sin que sea demasiado costosa.
Imagina que necesitas calcular la raíz cuadrada de un número. Un ingeniero podría elegir entre varias opciones:
- Diseñar una ALU muy compleja que calcule la raíz cuadrada en un solo paso. Esto es muy rápido.
- Diseñar una ALU que calcule la raíz cuadrada en varios pasos, como un algoritmo que se aprende en la escuela. Esto es más lento, pero la ALU es menos compleja.
- Diseñar una ALU simple en el procesador y ofrecer un chip adicional (un "coprocesador") que haga los cálculos complejos.
- Hacer que el procesador simule que tiene un coprocesador. Si no lo tiene, el sistema operativo se encarga de calcular la raíz cuadrada usando un programa.
- Decir a los programadores que no hay un coprocesador ni simulación, así que ellos deben escribir sus propios programas para calcular raíces cuadradas.
Las primeras opciones son las más rápidas y caras, mientras que las últimas son más lentas y económicas. Las computadoras más avanzadas, como el Pentium IV o el AMD Athlon 64, usan las opciones más rápidas para las operaciones más comunes.
Entradas y salidas de la ALU
Las entradas de la ALU son los números con los que va a operar (llamados "operandos") y un código de la unidad de control que le dice qué operación hacer. La salida es el resultado de esa operación.
En muchos diseños, la ALU también usa o genera "códigos de condición" que se guardan en un registro de estado. Estos códigos indican cosas importantes, como si hubo un "acarreo" (un número que se "lleva" a la siguiente posición), si el resultado fue demasiado grande (overflow) o si se intentó dividir por cero.
ALU vs. FPU
Una unidad de coma flotante (FPU, por sus siglas en inglés) también realiza operaciones matemáticas. Sin embargo, lo hace con números en "coma flotante", que son mucho más complejos que los números enteros que maneja una ALU. Para estos cálculos, una FPU tiene varios circuitos complejos, incluyendo algunas ALU internas.
Generalmente, los ingenieros llaman ALU a los circuitos que trabajan con números enteros. A los circuitos que manejan formatos más complejos, como los números en coma flotante, les dan nombres más específicos, como FPU.
Véase también
En inglés: Arithmetic logic unit Facts for Kids
