Unidad Aritmético Lógica: Diseño completo de una ALU de 4 bits

La 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,  etc.) y operaciones lógicas (OR, AND, XOR, etc), entre dos números binarios. Es parte fundamental de un microprocesador.

 Se recomienda consultar: http://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_aritm%C3%A9tico_l%C3%B3gica

El método más simple y directo de diseñar un CIRCUITO LÖGICO de una ALU se muestra a continuación, tal como se plantea en el texto "Lógica Digital y diseño de Computadores" de Morris Mano para una etapa de 2 bits Ai y Bi.

EJERCICIO: Simular en ALTERA el Circuito Lógico indicado en la gráfica anterior.

El circuito debe repetirse n veces para un circuito lógico de n bits. Las cuatro compuertas generan las 4 operaciones lógicas OR, OR EXCLUSIVA, AND y NOT. Las 2 variables de selección en el Multiplexor seleccionan una de las 4 compuertas en la salida.

Al igual que el circuito lógico se puede diseñar un circuito  aritmético, en el cual además de las entradas Ai   y Bi debe tenerse en cuenta el acarreo de entrada Ci, y en su salida además de Fi, en este caso se agregaría  el acarreo  de salida Ci+1

Veamos la siguiente tabla de función para el circuito aritmético en una etapa:

S1       S0       Ci             Salida                              Descripción de la función realizada
0          0         0              Fi = Ai                               Transfiere Ai
0          0         1              Fi = Ai mas 1                     Incrementa Ai
0          1         0              Fi = Ai  mas Bi                   Suma Ai con Bi
0          1         1              Fi = Ai mas Bi mas 1          Suma Ai con Bi mas acarreo
1          0         0              Fi = Ai mas Bi´                   Suma Ai con el complemento de B
1          0         1              Fi = Ai mas Bi´ mas 1         Resta Ai menos Bi
1          1         0              Fi = Ai menos 1                  Decrementa Ai
1          1         1              Fi = Ai                                Transfiere Ai  

El diagrama para la unidad aritmética de una etapa es el siguiente:

El circuito lógico puede ser combinado en el circuito aritmético para producir una unidad lógica aritmética. Las variables de selección S1 y S0 pueden hacerse comunes a ambas secciones siempre y cuando se use una tercera variable de selección S2 para diferenciar entre los dos.

Las salidas de los circuitos lógicos y aritméticos de cada estado pasan por un multiplexor con la variable de
selección s2 . Cuando S2=0  se. selecciona la salida aritmética, pero cuando S2 = 1 se selecciona la salida lógica.

L

Al simular en Altera debemos obtener una sola caja tal como se muestra en la siguiente gráfica:

Luego se acoplan las 4 cajitas  para formar la ALU de 4 bits, tal como se muestra:

Se espera que el estimado lector  haya efectuado paso a paso la simulación de la ALU en Altera. Esto le permite una completa comprensión de este importante concepto de la Electrónica Digital.

En una forma similar a lo descrito, se ha diseñado una ALU comercial, el circuito integrado 74LS181, el cual estudiaremos a continuación, al simularlao en Altera. La mejor forma de estudiar un chip comercial antes de implementarlo en el protoboard es analizar su tabla de funcionamiento de acuerdo a su hoja de datos suministrada por el fabricante (Data Sheet)  y efectuar su simulación.
La ALU 74181 se puede trabajar con cualquiera de dos tablas de funcionamiento.Una tabla con los datos activos en nivel bajo y otra donde los datos son activos en nivel alto, tal como la que se muestra a continuación:

EJERCICIO: Simular en ALTERA el 74181 para verificar el comportamiento de las dos tablas.