74181

74181은 7400 시리즈 TTL집적 회로로 구현된 4비트 슬라이스산술 논리 장치(ALU)이다. 텍사스 인스트루먼트가 1970년 2월에 선보인 이 칩은 단일 칩에 구현된 최초의 완전한 ALU였다. 이 칩은 역사적으로 중요한 많은 미니컴퓨터 및 기타 장치의 CPU에서 산술/논리 코어로 사용되었다.

74181은 개별 논리 회로를 사용하여 구성된 1960년대 CPU와 1970년대 단일 칩 마이크로프로세서 사이의 진화 단계를 나타낸다. 현재는 상업용 제품에 더 이상 사용되지 않지만, 74181은 나중에 실습형 컴퓨터 구조 과정에서 사용되었으며 여전히 교과서 및 기술 문서에서 참조된다.

사양

74181은 7400 시리즈 중규모 집적(MSI) TTL집적 회로로, 75개의 논리 게이트에 해당하는 회로를 포함하며 대부분 24핀 DIP로 패키징된다. 4비트 너비의 ALU는 캐리 유무에 관계없이 모든 전통적인 더하기/빼기/감소 연산과 AND/NAND, OR/NOR, XOR, 그리고 시프트를 수행할 수 있다. 이러한 기본 기능의 많은 변형이 가능하여, 두 개의 4비트 워드에 대해 총 16개의 산술 및 16개의 논리 연산을 제공한다. 곱셈 및 나눗셈 함수는 제공되지 않지만 시프트 및 더하기 또는 빼기 함수를 사용하여 여러 단계로 수행할 수 있다.

시프트는 명시적인 기능이 아니지만, 여러 사용 가능한 기능에서 파생될 수 있다. 예를 들어, 캐리(M=0)와 함께 "A 더하기 A" 기능을 선택하면 A 입력의 산술 왼쪽 시프트가 제공된다. 오른쪽 시프트는 지원되지 않는다.

74181은 두 개의 4비트 피연산자에 대해 22나노초(45MHz) 내에 캐리를 포함하는 4비트 결과를 생성한다. 74S181은 11나노초(90MHz) 내에 동일한 연산을 수행하며, 74F181은 7나노초(143MHz)(일반적) 내에 연산을 수행한다.

여러 슬라이스를 결합하여 임의의 큰 워드 크기를 만들 수 있다. 예를 들어, 16개의 74S181과 5개의 74S182 자리올림수 예측 가산기를 결합하여 28나노초(36MHz) 내에 64비트 피연산자에 대해 동일한 연산을 수행할 수 있다. 오늘날의 멀티 기가헤르츠 64비트 마이크로프로세서의 성능에 가려져 있지만, 초기 8비트 마이크로프로세서의 메가헤르츠 클럭 속도와 비교하면 매우 인상적이었다.

구현된 기능

74181은 두 변수를 가진 16가지 가능한 논리 함수를 모두 구현한다. 산술 함수에는 캐리가 있거나 없는 덧셈과 뺄셈이 포함된다. 높은 논리 레벨이 1에 해당하고 낮은 논리 레벨이 1에 해당하는 액티브-하이 데이터와 액티브-로우 데이터 모두에 사용할 수 있다.

입력 및 출력

함수를 선택하기 위한 4개의 선택 입력(S0 ~ S3)이 있다. M은 논리 및 산술 연산 간을 선택하는 데 사용되며, Cn은 캐리 입력이다. A와 B는 처리할 데이터(4비트)이다. F는 숫자 출력이다. 또한 74182 칩을 통해 구현할 수 있는 자리올림수 예측 가산기용 P 및 G 신호가 있다.

출력 F의 기능표

아래 표에서 AND는 곱으로, OR는 ${\displaystyle +}$ 기호로, XOR는 ${\displaystyle \oplus }$로, 논리적 NOT은 오버바로, 산술적 덧셈과 뺄셈은 각각 plus와 minus로 표기된다.

선택				액티브-로우 데이터			액티브-하이 데이터
				논리 M = H	산술 M = L		논리 M = H	산술 M = L
S3	S2	S1	S0		Cn = L (캐리 없음)	Cn = H (캐리 있음)		Cn = H (캐리 없음)	Cn = L (캐리 있음)
L	L	L	L	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {A}}$	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus 1
L	L	L	H	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle AB}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {AB}}$	${\displaystyle {\overline {A+B}}}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle {(A+B)}}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	L	H	L	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus 1
L	L	H	H	Logical 1	${\displaystyle -1}$ (2의 보수)	${\displaystyle 0}$ (영)	Logical 0	${\displaystyle -1}$ (2의 보수)	${\displaystyle 0}$ (영)
L	H	L	L	${\displaystyle {\overline {A+B}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	H	L	H	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	H	H	L	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$
L	H	H	H	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ minus 1	${\displaystyle A{\overline {B}}}$
H	L	L	L	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	L	L	H	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	L	H	L	${\displaystyle B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle B}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle AB}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	L	H	H	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle AB}$ minus 1	${\displaystyle AB}$
H	H	L	L	Logical 0	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	Logical 1	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	H	L	H	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	H	H	L	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	H	H	H	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$

중요성

74181은 1970년대부터 1980년대 초반까지 고속 연산이 필요한 컴퓨터 및 기타 장치의 개발 및 제조를 크게 단순화했으며, 여전히 "고전적인" ALU 설계로 언급된다.

74181이 도입되기 전에는 컴퓨터 CPU가 여러 회로 기판을 차지했고, 매우 단순한 컴퓨터조차 여러 캐비닛을 채울 수 있었다. 74181은 전체 CPU와 경우에 따라 전체 컴퓨터를 단일 대형 인쇄 회로 기판에 구축할 수 있게 했다. 74181은 여러 회로 기판에 분산된 개별 논리 함수를 기반으로 한 구형 CPU와 모든 CPU 기능을 단일 칩에 통합한 최신 마이크로프로세서 사이의 역사적으로 중요한 단계를 차지한다. 74181은 1970년대부터 다양한 미니컴퓨터 및 기타 장치에 사용되었지만, 마이크로프로세서가 더욱 강력해지면서 개별 부품으로 CPU를 구축하는 관행은 인기가 떨어졌고 74181은 더 이상 새로운 설계에 사용되지 않았다.

교육

1994년까지 74181을 기반으로 한 CPU 설계는 마이크로프로세서의 비교적 낮은 가격과 높은 성능으로 인해 상업적으로 실현 불가능했지만, 실습 설계 및 실험의 기회를 제공했기 때문에 컴퓨터 구성 및 CPU 설계를 가르치는 데 여전히 유용했다.

• Digital Electronics with VHDL (Quartus II Version) review in Journal of Modern Engineering, Volume 7, Number 2, Spring 2007.
• A Minimal TTL Processor for Architecture Exploration 74181이 CPU 아키텍처를 가르치는 데 어떻게 사용될 수 있는지 설명하는 논문.
• A Hardware Lab for the Computer Organization Course at Small Colleges 2003년 실험실 수업에서 74LS181을 사용했다.
• 74181 + 74182 demonstration 자바 기반 시뮬레이터
• APOLLO181 보관됨 2023-06-04 - 웨이백 머신 (by Gianluca.G, Italy 2012): Bugbook I 및 II 칩, 특히 74181을 기반으로 TTL 논리 및 바이폴라 메모리로 만든 수제 교육용 프로세서.
• Build Your Computer using LOGIC & MEMORY, before the advent of microprocessor 74181 ALU의 역사와 교육적 사용을 보여주는 비디오.
• A playable demo of the 74181 물리 시뮬레이터에서 에뮬레이션된 74181의 재생 가능한 데모
• 74181+74182 PDIP 및 CERDIP 패키지는 여전히 제조되어 브레드보딩에 사용할 수 있다.

컴퓨터

많은 컴퓨터 CPU와 서브시스템이 74181을 기반으로 했으며, 여기에는 역사적으로 중요한 여러 모델이 포함된다.

• NOVA—데이터 제너럴이 제조한 최초의 널리 사용 가능한 16비트미니컴퓨터. NOVA 1200은 1970년에 74181을 사용한 최초의 상업용 미니컴퓨터였다.
• PDP-11의 여러 모델—디지털 이큅먼트 코퍼레이션이 제조한 역사상 가장 인기 있는 미니컴퓨터
• 제록스 알토—데스크톱 메타포와 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용한 최초의 컴퓨터.
• VAX-11/780—VAX 중 최초이자 1980년대 가장 인기 있는 32비트 컴퓨터로, 디지털 이큅먼트 코퍼레이션이 제조했다.
• 쓰리 리버스 PERQ—제록스 알토의 영향을 받아 1979년에 처음 출시된 상업용 컴퓨터 워크스테이션.
• 컴퓨터 오토메이션 Naked Mini LSI-2—LSI는 마케팅 수단으로 잘못 사용되었다. LSI 프로세서가 아니라 4개의 74181을 사용했다.
• KMC11—디지털 이큅먼트 코퍼레이션PDP-11용 주변 프로세서.
• FPP-12—디지털 이큅먼트 코퍼레이션 PDP-12용 부동 소수점 장치.
• Wang 2200 CPU (CPU당 74181 1개) 및 디스크 컨트롤러 (컨트롤러당 74181 2개)
• TI-990—텍사스 인스트루먼트의 16비트 미니컴퓨터 시리즈.
• Honeywell option 1100—Honeywell H200/H2000 시리즈 메인프레임용 "과학 장치" 옵션.
• Datapoint 2200 버전 II 및 후속 기기, Datapoint 5500, 6600, 및 1800/3800—인텔 8008의 아키텍처를 정의한 컴퓨터의 후속작.
• Cogar 시스템 4 / Singer 1501 / ICL 1501 인텔리전트 터미널
• Varian Data Machines—V70 시리즈의 16비트 미니컴퓨터
• HP 2100 시리즈—시리즈 모델의 약 절반이 4개의 74181을 사용했다.

기타 사용

• Vectorbeam—시네마트로닉스가 스페이스 워즈, 스타호크, 워리어, 스타 캐슬 등 다양한 아케이드 게임에 사용한 플랫폼은 12비트 프로세서에 3개의 25LS181 칩을 사용한다.

같이 보기

• 산술 논리 장치
• 마이크로시퀀서
• 7400-시리즈 집적 회로
• 7400-시리즈 집적 회로 목록

각주

외부 링크

제조사 데이터 시트:

• 텍사스 인스트루먼트 (및 74182 자리올림수 예측 발생기)
• Signetics 보관됨 2008-02-27 - 웨이백 머신
• Philips
• Fairchild.

칩 작동 방식 설명

• 빈티지 74181 ALU 칩 내부: 작동 방식 및 특이한 이유
• 74181 ALU 칩 내부: 다이 사진 및 역설계 해당 칩의 평면 배치 기법과 일부 게이트의 트랜지스터 레이아웃을 보여준다