unité arithmétique et logique

Une unité arithmétique et logique est le bloc fonctionnel à l'intérieur d'un processeur qui exécute les opérations mathématiques et booléennes réelles sur les données. Chaque CPU, microcontrôleur et dispositif logique programmable contient au moins une ALU. Elle effectue des opérations d'addition, de soustraction, de multiplication, de division, de ET, OU, NON, XOR bit à bit, et de comparaison sur les opérandes qui lui sont fournis par l'unité de contrôle. L'ALU est l'endroit où le calcul a lieu; tout le reste dans le processeur est un échafaudage pour y déplacer les données, en acheminer les résultats et décider de l'opération suivante.

Dans un processeur typique de 32 ou 64 bits, l'ALU accepte deux opérandes d'entrée du fichier de registres, reçoit un signal de contrôle spécifiant l'opération à effectuer et produit un seul résultat. Les CPU modernes contiennent souvent plusieurs ALU fonctionnant en parallèle, permettant à plusieurs instructions arithmétiques ou logiques de s'exécuter dans le même cycle d'horloge. Les ALU pour entiers et les unités à virgule flottante sont généralement des blocs séparés, optimisés pour leurs types de données respectifs. La largeur de l'ALU, mesurée en bits, détermine la précision des opérations et est un facteur principal dans la classification des performances du processeur.

Fonction et drapeaux d'état

Au-delà de la valeur du résultat elle-même, l'ALU génère des drapeaux d'état qui reflètent le résultat : drapeau de zéro (le résultat est zéro), drapeau de retenue (débordement arithmétique), drapeau de signe (le résultat est négatif) et drapeau de débordement (débordement arithmétique dans les opérations signées). Les instructions de branchement conditionnel dépendent de ces drapeaux pour prendre des décisions. L'ALU effectue également des opérations de décalage et de rotation, qui sont essentielles pour la manipulation de bits, le compactage de données et certains algorithmes de multiplication et de division. Certaines ALU incluent du matériel dédié pour ces opérations; d'autres les exécutent comme des séquences d'opérations de base.

La conception d'une ALU implique des compromis entre la vitesse, la consommation d'énergie et la surface de silicium. Un additionneur à propagation de retenue est simple et compact mais lent; un additionneur à anticipation de retenue est plus rapide mais utilise plus de transistors. Les ALU pipelinées décomposent les calculs en étapes afin que plusieurs opérations se déroulent simultanément, mais introduisent de la latence. Dans les systèmes embarqués industriels et les PLC, la performance de l'ALU affecte directement le temps de cycle et la réactivité aux entrées des capteurs ou aux conditions de défaut.

Le terme « unité arithmétique et logique » est apparu dans les années 1960, lorsque les circuits intégrés ont commencé à concentrer ces fonctions dans des blocs discrets. Les premiers ordinateurs implémentaient l'arithmétique à l'aide de composants discrets ou de tubes à vide répartis sur des panneaux. Le concept d'ALU est devenu une nomenclature standard une fois que la technologie des semi-conducteurs a rendu pratique le regroupement dense des calculs, et il reste le cœur intellectuel de l'architecture des processeurs aujourd'hui.