74181 (integrált áramkör)

A 74181 egy 4 bites bitszelet-technikájú aritmetikai-logikai egység (ALU), amely 7400-as sorozatú TTL integrált áramkörként van megvalósítva. A Texas Instruments mutatta be 1970 februárjában. Ez volt az első teljes, egyetlen csipen megvalósított ALU. Sok történetileg jelentős miniszámítógép és egyéb eszköz CPU-jában használták aritmetikai/logikai magként.

A 74181 evolúciós lépést jelentett az 1960-as évek diszkrét logikai kapuk segítségével épített CPU-i és a mai egycsipes mikroprocesszorok CPU-i között. Kereskedelmi termékekben már nem használják, de a 74181-esre még mindig hivatkoznak a számítógép-tervezési tankönyvekben és műszaki cikkekben. Időnként főiskolai gyakorlatokon is használják a jövőbeli számítógép-tervezők képzésére.

Műszaki adatok

A 74181 egy 7400-as sorozatú közepes integráltságú (MSI), TTL integrált áramkör, amely 75 logikai kapu megfelelőjét tartalmazza, és leggyakrabban 24 tűs DIP tokozásba van szerelve. A 4 bites szóméretű ALU képes végrehajtani az összes hagyományos összeadás / kivonás / csökkentés műveletet átvitellel vagy anélkül, valamint az AND/NAND (NEM-ÉS), OR (VAGY)/NOR, XOR (kizáró VAGY), és eltolás (léptetés, shift) műveleteket. Ezeknek az alapvető műveleteknek számos változata áll rendelkezésre, összesen 16 aritmetikai és 16 logikai művelet, két négybites szón. A szorzás és osztás műveletek nincsenek megvalósítva, de végrehajthatók több lépésben az eltolás és összeadás vagy kivonás műveletek segítségével. Az eltolás/léptetés nem explicit művelet, hanem több rendelkezésre álló egyéb műveletből származtatható; például az "A plusz A" funkció kiválasztása átvitellel (M=0) az A bemenet egy lépéses aritmetikai balra tolásának felel meg.

A 74181 a fenti műveleteket két négybites operanduson végzi el, 22 nanoszekundumos végrehajtási idővel, négy bites eredményt generálva átvitellel (ez 45 MHz-es órajelnek felel meg). A 74S181 ugyanezeket a műveleteket 11 nanoszekundum alatt hajtja végre (90 MHz), míg a 74F181 jellemzően 7 nanoszekundum alatt végzi ezeket (143 MHz).

Több „szelet” kombinálható tetszőlegesen nagy szómérethez. Például tizenhat 74S181-es és öt 74S182-es gyors átvitelgenerátor kombinálható, hogy ugyanezeket a műveleteket hajtsák végre 64 bites operandusokon 28 nanoszekundum alatt (36 MHz). Bár a teljesítménye messze elmarad a mai több gigahertzes, 64 bites mikroprocesszorok teljesítményétől, saját környezetében mégis magasan kiemelkedő volt, a korai négy- és nyolcbites mikroprocesszorok megahertz alatti órajeléhez képest.

Megvalósított műveletek

A 74181 megvalósítja mind a 16 lehetséges kétváltozós logikai függvényt. Aritmetikai műveletei közé tartozik az összeadás és kivonás, átvitellel és anélkül. Aktív-magas (a magas szint 1-nek felel meg) és aktív-alacsony (alacsony szint 1-nek felel meg) logikai szintű adatokkal használható.

Bemenetek és kimenetek

A művelet kiválasztásához négy vezérlő bemenet áll rendelkezésre, ezek jelölése S0 – S3. Az M bemenet a logikai és az aritmetikai műveletek közötti választásra szolgál, Cn pedig a bemenő átvitel (carry-in). Az A és B a feldolgozandó adat (mindkettő négy bites). Az eredmény az F kimeneten jelenik meg. A P és a G kimenetek gyors átvitelképzésű összeadó használatához szükségesek, amely egy vagy több 74182-es áramkör segítségével megvalósítható.

Az F kimeneten megjelenő funkciók

Az alábbi táblázatban az AND (ÉS) műveletet a szorzás jelöli, a OR (VAGY) műveletet a ${\displaystyle +}$ jel, a XOR jele ${\displaystyle \oplus }$, a logikai NOT (tagadás) művelet jelölése a felülvonás, a számtani összeadást és kivonást a „plusz” és „mínusz” szavak jelölik.

Kiválasztás				Aktív-alacsony adat			Aktív-magas adat
				Logika M = H	Aritmetika M = L		Logika M = H	Aritmetika M = L
S3	S2	S1	S0		Cn = L (nincs átvitel)	Cn = H (átvitel)		Cn = H (nincs átvitel)	Cn = L (átvitel)
L	L	L	L	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {A}}$	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$
L	L	L	H	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle AB}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {AB}}$	${\displaystyle {\overline {A+B}}}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle {(A+B)}}$ plusz ${\displaystyle 1}$
L	L	H	L	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle 1}$
L	L	H	H	Logikai 1	${\displaystyle -1}$ (kettes komplemens)	${\displaystyle 0}$ (nulla)	Logikai 0	${\displaystyle -1}$ (kettes komplemens)	${\displaystyle 0}$ (nulla)
L	H	L	L	${\displaystyle {\overline {A+B}}}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle (A{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle 1}$
L	H	L	H	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$ plusz ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$	${\displaystyle AB}$ plusz ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plusz ${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plusz ${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plusz ${\displaystyle 1}$
L	H	H	L	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$ mínusz ${\displaystyle B}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ mínusz ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$ mínusz ${\displaystyle B}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ mínusz ${\displaystyle B}$
L	H	H	H	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$
H	L	L	L	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle (A+B)}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle (A+B)}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle AB}$ plusz ${\displaystyle 1}$
H	L	L	H	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle B}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle B}$ plusz ${\displaystyle 1}$
H	L	H	L	${\displaystyle B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plusz ${\displaystyle (A+B)}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plusz ${\displaystyle (A+B)}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle B}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle AB}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle AB}$ plusz ${\displaystyle 1}$
H	L	H	H	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle AB}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle AB}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle AB}$
H	H	L	L	Logikai 0	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$	Logikai 1	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$
H	H	L	H	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$ plusz ${\displaystyle A}$	${\displaystyle AB}$ plusz ${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plusz ${\displaystyle A}$	${\displaystyle (A+B)}$ plusz ${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$
H	H	H	L	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plusz ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plusz ${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle A}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plusz ${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$
H	H	H	H	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ mínusz ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$

Jelentősége

A 74181-es nagy mértékben leegyszerűsítette a számítógépek és más, nagy sebességű számításokat igénylő eszközök fejlesztését és gyártását az 1970-es évektől az 1980-as évek elejéig, és még mindig „klasszikus” ALU konstrukcióként hivatkoznak rá.

A 74181-es bevezetése előtt a számítógépek CPU-i több áramköri lapot foglaltak el, és még a nagyon egyszerű számítógépek is több szekrényt töltöttek meg. A 74181 lehetővé tette, hogy egyetlen nagy nyomtatott áramköri lapon egy teljes CPU-t és bizonyos esetekben teljes számítógépet építsenek fel. A 74181 történelmileg jelentős szintet foglal el a régebbi, több áramköri kártyán elosztott diszkrét logikai funkciókon alapuló CPU-k és a modern mikroprocesszorok között, amelyek az összes CPU-funkciót egyetlen csipben integrálják. A 74181-est az 1970-es évektől kezdve különféle miniszámítógépekben és egyéb eszközökben használták, de ahogy a mikroprocesszorok teljesítménye nőtt, a CPU diszkrét komponensekből történő felépítésének gyakorlata háttérbe szorult, és a 74181-est az újabb konstrukciókban már nem alkalmazták.

Napjainkban

1994-re a 74181-en alapuló CPU-tervek üzletileg már nem voltak versenyképesek a mikroprocesszorok viszonylag alacsony ára és nagy teljesítménye miatt. A 74181-es azonban továbbra is jelen van a számítógépek felépítése és a CPU-tervezés oktatásában, mert olyan gyakorlati tervezési és kísérletezési lehetőségeket kínál, amelyek ritkán állnak a hallgatók rendelkezésére.

• Digital Electronics with VHDL (Quartus II Version) áttekintés : Journal of Modern Engineering, 7. kötet, 2. szám, 2007 tavasz.
• A Minimal TTL Processor for Architecture Exploration (Minimális TTL processzor az architektúra felfedezéséhez) – tanulmány, amely leírja, hogyan használható a 74181 a CPU architektúra tanítására
• A Hardware Lab for the Computer Organization Course at Small Colleges – egy másik példa arra, hogyan használják ma a 74181-et oktatási környezetben
• 74181 + 74182 demonstráció Java alapú szimulátor
• APOLLO181 Archiválva 2023. június 4-i dátummal a Wayback Machine-ben (Gianluca.G, Olaszország, 2012): TTL logikából és bipoláris memóriákból épített, házi készítésű oktatási processzor, amely a Bugbook® I és II csipeken, különösen a 74181-en alapul
• Build Your Computer using LOGIC & MEMORY, before the advent of microprocessor (Építs számítógépet LOGIKA és MEMÓRIA segítségével, a mikroprocesszor megjelenése előtt) – videó, amely bemutatja a 74181 ALU történetét és használatát az oktatásban

Számítógépek

Sok számítógépes CPU és alrendszer alapult a 74181-en, közöttük számos történetileg jelentős modell.

• NOVA – Az első széles körben elérhető 16 bites miniszámítógép, amelyet a Data General gyártott. A NOVA 1200 volt az első kereskedelmi célú miniszámítógép 1970-ben, amely a 74181-et használta.
• A PDP–11 számos modellje – minden idők legnépszerűbb miniszámítógépe, a Digital Equipment Corporation gyártotta
• Xerox Alto – az első számítógép, amely az asztal-metafórát és a grafikus felhasználói felületet (GUI) használja
• VAX-11/780 – az első VAX, az 1980-as évek legnépszerűbb 32 bites számítógépe, szintén a Digital Equipment Corp. gyártmánya
• Three Rivers PERQ – kereskedelmi célú számítógépes munkaállomás a Xerox Alto hatása alatt, először 1979-ben adták ki
• Computer Automation Naked Mini LSI – az LSI IC tesztberendezésekben és folyamatirányításban használt számítógép
• KMC11 – perifériaprocesszor a Digital Equipment Corporation PDP–11 számára
• FPP-12 – lebegőpontos egység a Digital Equipment Corporation (DEC) PDP–12 számára
• Wang 2200 CPU (CPU-nként egy 74181) és lemezvezérlő (vezérlőnként két 74181)
• TI-990 – a Texas Instruments 16 bites miniszámítógép-sorozata
• Honeywell 1100 opció – az úgynevezett „tudományos egység” kiegészítő a Honeywell H200/H2000 sorozatú nagyszámítógépekhez
• Datapoint 2200 Version II és az ezt követő változatok: Datapoint 5500, 6600, és 1800/3800 – az Intel 8008 architektúráját alapvetően meghatározó számítógép
• Cogar System 4 / Singer 1501 / ICL 1501 intelligens terminál
• Varian Data Machines – V70 sorozat, 16 bites miniszámítógépek

Egyéb felhasználás

• Vectorbeam – a Cinematronics által különféle játéktermi játékokhoz, köztük a Space Wars, Starhawk, Warrior, Star Castle és mások által használt (arcade) játékplatform három 25LS181 csipet használ 12 bites processzorában.

Jegyzetek

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a(z) 74181 című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Források

További információk

Gyártói adatlapok:

• Texas Instruments (és 74182 look-ahead carry generator)
• Signetics Archiválva 2008. február 27-i dátummal a Wayback Machine-ben
• Philips
• Fairchild.

A csip működése és egyéb részletek

• Shirriff, Ken (2017). "Inside the vintage 74181 ALU chip: how it works and why it's so strange" (angol nyelven). Ken Shirriff. Hozzáférés: 2024. március 1. {{cite web}}: Unknown parameter |month= ignored (súgó) (A jó öreg 74181 ALU csip belsejében: hogy működik és miért olyan furcsa)

Kapcsolódó szócikkek

• Aritmetikai-logikai egység
• Mikroütemező
• 7400-as sorozatú integrált áramkörök
• A 7400-as sorozatú integrált áramkörök listája