74181

Первое арифметико-логическое устройство (АЛУ) на одном кристалле

4-битный АЛУ 74S181, находящийся на странице из технического описания

74181 — это 4 -битное арифметико-логическое устройство (АЛУ), реализованное в виде интегральной схемы TTL серии 7400. Представленное компанией Texas Instruments в феврале 1970 года, ^[1] оно стало первым полным АЛУ на одном кристалле. ^[2] Оно использовалось в качестве арифметико-логического ядра в процессорах многих исторически значимых мини-компьютеров и других устройств.

74181 представляет собой эволюционный шаг между ЦП 1960-х годов, которые были построены с использованием дискретных логических вентилей , и сегодняшними однокристальными микропроцессорными ЦП. Хотя 74181 больше не используется в коммерческих продуктах, он все еще упоминается в учебниках по организации компьютеров и технических статьях. Он также иногда используется в «практических» курсах колледжей для обучения будущих компьютерных архитекторов .

Технические характеристики

Комбинационная логическая схема интегральной схемы 74181

74181 — это интегральная схема TTL средней интеграции (MSI) серии 7400 , содержащая эквивалент 75 логических вентилей ^[3] и чаще всего выпускаемая в корпусе DIP с 24 выводами . 4-битный ALU может выполнять все традиционные операции сложения/вычитания/декремента с переносом или без него, а также AND /NAND, OR /NOR, XOR и сдвиг . Доступно множество вариаций этих основных функций, в общей сложности 16 арифметических и 16 логических операций над двумя четырехбитными словами. Функции умножения и деления не предусмотрены, но могут выполняться в несколько шагов с использованием функций сдвига и сложения или вычитания. Сдвиг не является явной функцией, но может быть получен из нескольких доступных функций; например, выбор функции «A плюс A» с переносом (M=0) даст арифметический сдвиг влево входа A.

74181 выполняет эти операции над двумя четырехбитными операндами, генерируя четырехбитный результат с переносом за 22 наносекунды (45 МГц). 74S181 выполняет те же операции за 11 наносекунд (90 МГц), а 74F181 выполняет операции за 7 наносекунд (143 МГц) (типично).

Несколько «срезов» можно объединить для произвольно больших размеров слов. Например, шестнадцать генераторов переноса с прогнозированием 74S181 и пять генераторов переноса с прогнозированием 74S182 можно объединить для выполнения тех же операций с 64-битными операндами за 28 наносекунд (36 МГц). Хотя производительность современных многогигагерцовых 64-битных микропроцессоров и затмевается, это было весьма впечатляюще по сравнению с субмегагерцовыми тактовыми частотами ранних четырех- и восьмибитных микропроцессоров.

Реализованные функции

74181 реализует все 16 возможных логических функций с двумя переменными. Его арифметические функции включают сложение и вычитание с переносом и без него. Его можно использовать с данными с активным высоким уровнем, в которых высокий логический уровень соответствует 1, и данными с активным низким уровнем, в которых низкий логический уровень соответствует 1. ^[4]

Входы и выходы

Есть четыре входа выбора, S0для S3, для выбора функции. Mиспользуется для выбора между логической и арифметической операцией, и Cnявляется переносом. Aи Bявляется данными для обработки (четыре бита). Fявляется выходным числом. Есть также Pи Gсигналы для сумматора с предварительным просмотром переноса , который может быть реализован с помощью одной или нескольких микросхем 74182.

Таблица функций для выхода F

В следующей таблице И обозначается как произведение, ИЛИ со знаком , ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ со знаком , логическое НЕ со знаком сверху и арифметические плюс и минус с использованием слов плюс и минус. ${\displaystyle +}$ ${\displaystyle \oplus }$

Значение

74181 значительно упростил разработку и производство компьютеров и других устройств, требующих высокоскоростных вычислений в период с 1970-х по начало 1980-х годов, и до сих пор считается «классической» конструкцией АЛУ. ^[5]

До появления 74181 компьютерные ЦП занимали несколько печатных плат, и даже очень простые компьютеры могли занимать несколько корпусов. 74181 позволял построить целый ЦП, а в некоторых случаях и целый компьютер на одной большой печатной плате . 74181 занимает исторически значимую ступень между старыми ЦП, основанными на дискретных логических функциях, распределенных по нескольким печатным платам, и современными микропроцессорами, которые объединяют все функции ЦП в одном чипе. 74181 использовался в различных мини-компьютерах и других устройствах, начиная с 1970-х годов, но по мере того, как микропроцессоры становились все более мощными, практика построения ЦП из дискретных компонентов вышла из моды, и 74181 не использовался ни в каких новых разработках.

Сегодня

К 1994 году проекты ЦП на основе 74181 не были коммерчески жизнеспособными из-за сравнительно низкой цены и высокой производительности микропроцессоров. Тем не менее, 74181 по-прежнему представляет интерес для обучения организации компьютеров и проектированию ЦП , поскольку он предоставляет возможности для практического проектирования и экспериментирования, которые редко доступны студентам. ^[6]

• Обзор цифровой электроники с VHDL (версия Quartus II) в журнале Journal of Modern Engineering, том 7, номер 2, весна 2007 г.
• Минимальный процессор TTL для изучения архитектуры. Статья, описывающая, как 74181 можно использовать для обучения архитектуре ЦП.
• Лаборатория аппаратного обеспечения для курса «Организация вычислительной техники в небольших колледжах» — еще один пример того, как 74181 используется сегодня в учебной среде.
• 74181 + 74182 демонстрационный симулятор на основе Java
• APOLLO181 (автор Gianluca.G, Италия, 2012 г.): самодельный образовательный процессор, созданный на основе ТТЛ-логики и биполярной памяти, на базе чипов Bugbook I и II, в частности 74181.
• Соберите свой компьютер, используя ЛОГИКУ и ПАМЯТЬ до появления микропроцессоров. Видеоролик, демонстрирующий историю и образовательное использование АЛУ 74181.
• Игровая демоверсия 74181, эмулированная в физическом симуляторе

Компьютеры

Многие компьютерные процессоры и подсистемы были основаны на 74181, включая несколько исторически значимых моделей.

• NOVA  – Первый широкодоступный 16-битный миникомпьютер , произведенный Data General . NOVA 1200 был первым коммерческим миникомпьютером в 1970 году, использовавшим 74181. ^[7]
• Несколько моделей PDP-11 ^[8]  – самого популярного мини-компьютера всех времен, ^[9] произведенного компанией Digital Equipment Corporation .
• Xerox Alto  – первый компьютер, использовавший метафору рабочего стола и графический пользовательский интерфейс (GUI). ^{[10] [11]}
• VAX-11/780  – первый VAX , самый популярный 32-разрядный компьютер 1980-х годов ^[9], произведенный Digital Equipment Corp. ^[12]
• Three Rivers PERQ  – коммерческая компьютерная рабочая станция, созданная под влиянием Xerox Alto и впервые выпущенная в 1979 году. ^[13]
• Computer Automation Naked Mini LSI – компьютер, который нашел применение в испытательном оборудовании БИС и управлении технологическими процессами.
• KMC11 – Периферийный процессор для Digital Equipment Corporation PDP-11 . ^[14]
• FPP-12 – блок с плавающей точкой для PDP-12 корпорации Digital Equipment Corporation . ^[15]
• Wang 2200 CPU (один 74181 на CPU) ^[16] и дисковый контроллер (два 74181 на контроллер) ^[17]
• TI-990  – серия 16-разрядных мини-компьютеров компании Texas Instruments .
• Honeywell option 1100 – так называемая опция «научного блока» для мэйнфреймов Honeywell серии H200/H2000.
• Datapoint 2200 Version II ^[18] и последующие машины Datapoint 5500, 6600 и 1800/3800 – компьютер, определивший архитектуру для Intel 8008 .
• Cogar System 4 / Singer 1501 / ICL 1501 Интеллектуальный терминал ^[19]
• Varian Data Machines  – серия 16-разрядных мини-компьютеров V70

Другие применения

• Vectorbeam  – Аркадная игровая платформа , используемая Cinematronics для различных аркадных игр, включая Space Wars , Starhawk , Warrior , Star Castle и другие, использует три чипа 25LS181 в своем 12-битном процессоре. ^[20]

Смотрите также

• Арифметико-логическое устройство
• Микросеквенатор
• Интегральные схемы серии 7400
• Список интегральных схем серии 7400

Ссылки

1. Хёльтген, Стефан, изд. (2017). Logik, Informationstheorie [ Логика, теория информации ] (на немецком языке). Де Грюйтер. п. 115. ИСБН 9783110477504– через Google Книги.
2. Дэниел П. Сиворек ; К. Гордон Белл ; Аллен Ньюэлл . "Глава 6: Структура". Структуры компьютеров: принципы и примеры (PDF) . стр. 63. Самая ранняя и самая известная микросхема, арифметико-логическое устройство (АЛУ) 74181, обеспечивала до 32 функций двух 4-битных переменных.
3. Мёрдокка, Майлз; Герасулис, Апостолос; Леви, Сол (1 октября 1991 г.). Новая архитектура оптического компьютера с использованием реконфигурируемых межсоединений (отчет). стр. 23. Логическая схема для 74181 ... Имеется 63 логических вентиля.
4. "SN54LS181, SN54S181 SN74LS181, SN 74S181 АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА/ГЕНЕРАТОРЫ ФУНКЦИЙ" (PDF) . Texas Instruments . Март 1988 г.
5. Kestrel: Проектирование 8-битного параллельного процессора SIMD (PDF) . Труды 17-й конференции по перспективным исследованиям в области СБИС. 15–17 сентября 1997 г. стр. 11.
6. Брэдфорд Дж. Родригес. Минимальный процессор TTL для исследования архитектуры. Труды симпозиума ACM 1994 года по прикладным вычислениям. Изучение архитектуры компьютера часто представляет собой абстрактное бумажное упражнение. Студенты не могут исследовать внутреннюю работу однокристального микропроцессора, и лишь немногие машины с дискретной логикой открыты для студенческого осмотра.
7. "История 74181 в коммерческих миникомпьютерах". Архивировано из оригинала 2019-11-02.
8. C. Gordon Bell ; J. Craig Mudge; John E. McNamara (август 1979). Computer Engineering: A DEC View of Hardware Systems Design. Digital Press. стр. 335,336. ISBN 0-932376-00-2.
9. Боб Супник (31 августа 2004 г.). «Симуляторы: виртуальные машины прошлого (и будущего)». ACM Queue . 2 (5).
10. "Финальная демонстрация компьютера Xerox 'Star'". Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 2007-11-15 . Получено 2007-10-28 .
11. Дель Россо, Том (октябрь–декабрь 1994 г.). «IC Corner: Early IC ALU'S In The Xerox Alto» (PDF) . Аналитическая машина . 2 (2). Ассоциация компьютерной истории Калифорнии: 17.
12. "VAX-11/780, в Digital Computing Timeline, 1977". Digital Information Research Services, через Microsoft Research (research.microsoft.com). 30 апреля 1998 г. Получено 2007-11-02 .
13. Дуэлл, Тони (май 1995 г.). "More On The Peripatetic 74x181" (PDF) . Аналитическая машина . 2 (3). Ассоциация компьютерной истории Калифорнии: 27.
14. "Периферийные устройства для раннего PDP-11". Архивировано из оригинала 2011-07-25 . Получено 2007-10-28 .
15. Руководство пользователя процессора с плавающей точкой FPP12A (PDF) . Digital Equipment Corporation. Декабрь 1973 г. стр. 5–24. DEC-12-HFPPA-AD.
16. «Описание микроархитектуры Wang 2200».
17. «Описание канала диска Wang 2200».
18. Datapoint 2200 Version I and II Drawing Package (PDF) . стр. 36.
19. "ICL 1501 Intelligent Terminal". Allard's Computer Museum Groningen . Архивировано из оригинала 23 апреля 2015 года . Получено 23 апреля 2015 года .
20. Star Castle Op and Maintenance. Cinematronics, Inc. 1980.

Внешние ссылки

Паспорта производителя:

• Texas Instruments (и генератор переноса с упреждающим просмотром 74182)
• Сигнетика
• Филипс
• Фэрчайлд.

Объяснение принципа работы чипа

• Внутри старинного АЛУ-чипа 74181: как он работает и почему он такой странный