unidad aritmético-lógica

Una unidad aritmético-lógica es el bloque funcional dentro de un procesador que ejecuta las operaciones matemáticas y booleanas reales sobre los datos. Cada CPU, microcontrolador y dispositivo lógico programable contiene al menos una ALU. Realiza operaciones de suma, resta, multiplicación, división, AND, OR, NOT, XOR a nivel de bits y operaciones de comparación sobre los operandos que le suministra la unidad de control. La ALU es donde ocurre el cálculo; todo lo demás en el procesador es andamiaje para mover datos hacia ella, enrutar los resultados y decidir qué operación sigue.

En un procesador típico de 32 o 64 bits, la ALU acepta dos operandos de entrada del archivo de registros, recibe una señal de control que especifica qué operación realizar y emite un único resultado. Las CPU modernas a menudo contienen múltiples ALU que operan en paralelo, lo que permite que varias instrucciones aritméticas o lógicas se ejecuten en el mismo ciclo de reloj. Las ALU de enteros y las unidades de punto flotante suelen ser bloques separados, optimizados para sus respectivos tipos de datos. El ancho de la ALU, medido en bits, determina la precisión de las operaciones y es un factor principal en la clasificación del rendimiento del procesador.

Función y banderas de estado

Más allá del valor del resultado en sí, la ALU genera banderas de estado que reflejan el resultado: bandera de cero (el resultado es cero), bandera de acarreo (desbordamiento aritmético), bandera de signo (el resultado es negativo) y bandera de desbordamiento (desbordamiento aritmético en operaciones con signo). Las instrucciones de salto condicional dependen de estas banderas para tomar decisiones. La ALU también realiza operaciones de desplazamiento y rotación, que son esenciales para la manipulación de bits, el empaquetado de datos y ciertos algoritmos de multiplicación y división. Algunas ALU incluyen hardware dedicado para estas operaciones; otras las ejecutan como secuencias de operaciones básicas.

El diseño de una ALU implica compensaciones entre velocidad, consumo de energía y área de silicio. Un sumador de acarreo por propagación es simple y compacto, pero lento; un sumador de acarreo anticipado es más rápido, pero usa más transistores. Las ALU segmentadas dividen los cálculos en etapas para que múltiples operaciones avancen simultáneamente, pero introducen latencia. En los sistemas embebidos industriales y los PLC, el rendimiento de la ALU afecta directamente el tiempo de ciclo y la capacidad de respuesta a las entradas de los sensores o a las condiciones de falla.

El término "unidad aritmético-lógica" surgió en la década de 1960 cuando los circuitos integrados comenzaron a concentrar estas funciones en bloques discretos. Las computadoras anteriores implementaban la aritmética utilizando componentes discretos o tubos de vacío distribuidos en paneles. El concepto de ALU se convirtió en nomenclatura estándar una vez que la tecnología de semiconductores hizo práctico empaquetar la computación densamente, y sigue siendo el núcleo intelectual de la arquitectura de los procesadores en la actualidad.