74181 - 74181

4-битный битовый фрагмент АЛУ 74S181, лежащий на странице из таблицы

74181 представляет собой 4-битовый срез арифметико - логическое устройство (АЛУ), реализован в виде серии 7400 TTL интегральной схемы . Первый полный АЛУ на одном кристалле, он использовался в качестве арифметического / логического ядра в процессорах многих исторически значимых миникомпьютеров и других устройств.

74181 представляет собой эволюционный шаг между процессорами 1960-х годов, которые были построены с использованием дискретных логических элементов , и современными однокристальными микропроцессорными процессорами. Хотя 74181 больше не используется в коммерческих продуктах, он по-прежнему упоминается в учебниках по компьютерной организации и технических документах. Его также иногда используют в «практических» курсах колледжей для обучения будущих компьютерных архитекторов .

Характеристики

Комбинационная логическая схема интегральной схемы 74181

74181 - это интегральная схема TTL среднего размера (MSI) серии 7400 , содержащая эквивалент 75 логических вентилей и чаще всего упакованная как 24-контактный DIP . 4-битный широкий АЛУ может выполнять все традиционные добавления / вычитания / декремент операции с или без переноса, а также И / NAND, OR / NOR, XOR и сдвига . Доступно множество вариантов этих основных функций, в общей сложности 16 арифметических и 16 логических операций над двумя четырехразрядными словами. Функции умножения и деления не предусмотрены, но могут выполняться в несколько этапов с использованием функций сдвига и сложения или вычитания. Shift 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 с двумя четырехбитными операндами, генерируя четырехбитовый 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) (типичное значение).

Несколько «фрагментов» можно комбинировать для получения слова произвольно большого размера. Например, шестнадцать генераторов упреждающего переноса 74S181 и пять 74S182 могут быть объединены для выполнения одних и тех же операций с 64-битными операндами за 28 наносекунд (36 МГц). Несмотря на то, что производительность сегодняшних многомигагерцовых 64-битных микропроцессоров затмевается производительностью, она была весьма впечатляющей по сравнению с тактовой частотой менее мегагерцовых частот ранних четырех- и восьмиразрядных 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 на логических уровнях активный высокий (высокий соответствует 1) и активный низкий (низкий соответствует 1) .

Входы и выходы

Есть четыре входа S0для S3выбора, чтобы выбрать функцию. Mиспользуется для выбора между логической и арифметической операциями и Cnявляется переносом. Aи B- данные для обработки (четыре бита). Fэто числовой вывод. Также есть Pи Gсигналы для сумматора с опережением переноса , который может быть реализован через одну или несколько микросхем 74182 .

Таблица функций для выхода F

В следующей таблице AND обозначается как произведение, OR со знаком, XOR с , логическое НЕ с чертой сверху и арифметические плюс и минус с использованием слов плюс и минус. ${\ displaystyle +}$ ${\ displaystyle \ oplus}$

Выбор				Активно-низкие данные			Активные высокие данные
				Логика M = H	Арифметика M = L		Логика M = H	Арифметика M = L
S3	S2	S1	S0		Cn = L (без переноса)	Cn = H (перенос)		Cn = L (без переноса)	Cn = H (перенос)
L	L	L	L	${\ displaystyle {\ overline {A}}}$	${\ displaystyle A}$ минус ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle {A}}$	${\ displaystyle {\ overline {A}}}$	${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle A}$ плюс 1
L	L	L	ЧАС	${\ displaystyle {\ overline {AB}}}$	${\ displaystyle AB}$ минус ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle {AB}}$	${\ displaystyle {\ overline {A + B}}}$	${\ displaystyle A + B}$	${\ Displaystyle {(А + В)}}$ плюс ${\ displaystyle 1}$
L	L	ЧАС	L	${\ displaystyle {\ overline {A}} + B}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$ минус ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle {\ overline {A}} B}$	${\ displaystyle A + {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$ плюс 1
L	L	ЧАС	ЧАС	Логический 1	${\ displaystyle -1}$ (дополнение до двух)	${\ displaystyle 0}$ (нуль)	Логический 0	${\ displaystyle -1}$ (дополнение до двух)	${\ displaystyle 0}$ (нуль)
L	ЧАС	L	L	${\ displaystyle {\ overline {A + B}}}$	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle {\ overline {AB}}}$	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ displaystyle (А {\ overline {B}})}$ ${\ displaystyle 1}$
L	ЧАС	L	ЧАС	${\ displaystyle {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle AB}$ плюс ${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$	${\ displaystyle AB}$ плюс плюс ${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle {\ overline {B}}}$	${\ Displaystyle (А + В)}$ плюс ${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$	${\ Displaystyle (А + В)}$ плюс плюс ${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$ ${\ displaystyle 1}$
L	ЧАС	ЧАС	L	${\ displaystyle {\ overline {A \ oplus B}}}$	${\ displaystyle A}$ минус минус ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A}$ минус ${\ displaystyle B}$	${\ displaystyle A \ oplus B}$	${\ displaystyle A}$ минус минус ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A}$ минус ${\ displaystyle B}$
L	ЧАС	ЧАС	ЧАС	${\ displaystyle A + {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle A + {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle A + {\ overline {B}}}$ плюс ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$ минус 1	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$
ЧАС	L	L	L	${\ displaystyle {\ overline {A}} B}$	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ Displaystyle (А + В)}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ Displaystyle (А + В)}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle {\ overline {A}} + B}$	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle AB}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ displaystyle AB}$ ${\ displaystyle 1}$
ЧАС	L	L	ЧАС	${\ displaystyle A \ oplus B}$	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle B}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle {\ overline {A \ oplus B}}}$	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle B}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle 1}$
ЧАС	L	ЧАС	L	${\ displaystyle B}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$ плюс ${\ Displaystyle (А + В)}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$ плюс плюс ${\ Displaystyle (А + В)}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle B}$	${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$ плюс ${\ displaystyle AB}$	${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$ плюс плюс ${\ displaystyle AB}$ ${\ displaystyle 1}$
ЧАС	L	ЧАС	ЧАС	${\ displaystyle A + B}$	${\ displaystyle A + B}$	${\ displaystyle AB}$ плюс ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle AB}$	${\ displaystyle AB}$ минус 1	${\ displaystyle AB}$
ЧАС	ЧАС	L	L	Логический 0	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle 1}$	Логический 1	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle A}$ плюс плюс ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle 1}$
ЧАС	ЧАС	L	ЧАС	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$	${\ displaystyle AB}$ плюс ${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle AB}$ плюс плюс ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A + {\ overline {B}}}$	${\ Displaystyle (А + В)}$ плюс ${\ displaystyle A}$	${\ Displaystyle (А + В)}$ плюс плюс ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle 1}$
ЧАС	ЧАС	ЧАС	L	${\ displaystyle AB}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$ плюс ${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle A {\ overline {B}}}$ плюс плюс ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A + B}$	${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$ плюс ${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle (А + {\ overline {B}})}$ плюс плюс ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle 1}$
ЧАС	ЧАС	ЧАС	ЧАС	${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle A}$ плюс ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A}$	${\ displaystyle A}$ минус ${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle A}$

Значение

74181 значительно упростил разработку и производство компьютеров и других устройств, которые требовали высокоскоростных вычислений в конце 1960-х - начале 1980-х годов, и до сих пор считается «классической» конструкцией ALU.

До появления 74181 процессоры компьютеров занимали несколько печатных плат, и даже очень простые компьютеры могли занимать несколько шкафов. 74181 позволял построить весь ЦП, а в некоторых случаях и весь компьютер на одной большой печатной плате . 74181 занимает исторически значимое место между старыми процессорами, основанными на дискретных логических функциях, распределенных по нескольким печатным платам, и современными микропроцессорами, которые объединяют все функции процессора в одном кристалле. 74181 использовался в различных мини-компьютерах и других устройствах, начиная с 1970-х годов, но по мере того, как микропроцессоры стали более мощными, практика создания ЦП из дискретных компонентов вышла из моды, и 74181 не использовался ни в каких новых конструкциях.

Сегодня

К 1994 году конструкции ЦП на базе 74181 не были коммерчески выгодны из-за сравнительно низкой цены и высокой производительности микропроцессоров. Тем не менее, 74181 по-прежнему представляет интерес для преподавания компьютерной организации и проектирования ЦП, поскольку он предоставляет возможности для практического проектирования и экспериментов, которые редко доступны студентам.

Обзор цифровой электроники с VHDL (версия Quartus II) в Journal of Modern Engineering, том 7, номер 2, весна 2007 г.
A Minimal TTL Processor for Architecture Exploration - документ, описывающий, как 74181 можно использовать для обучения архитектуре ЦП.
Аппаратная лаборатория для курса компьютерной организации в небольших колледжах - еще один пример того, как 74181 используется сегодня в учебной среде.
74181 + 74182 демонстрационный симулятор на базе Java
APOLLO181 (Gianluca.G, Италия, 2012 г.): самодельный образовательный процессор, созданный из логики TTL и биполярной памяти, основанный на микросхемах Bugbook® I и II, в частности, на 74181.
Создайте свой компьютер, используя LOGIC & MEMORY, до появления микропроцессоров видео, показывающее историю и использование 74181 ALU в образовательных целях.

Компьютеры

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

NOVA - первый широко доступный 16-битный миникомпьютер, произведенный Data General . В 1970 году NOVA 1200 была де-факто первым коммерческим мини-компьютером, в котором использовался 74181
Несколько моделей PDP-11 - самого популярного миникомпьютера всех времен, производимого Digital Equipment Corporation .
Xerox Alto - первый компьютер, использующий метафору рабочего стола и графический интерфейс пользователя (GUI).
VAX-11/780 - первый VAX , самый популярный 32-битный компьютер 1980-х годов, произведенный Digital Equipment Corp.
Three Rivers PERQ , коммерческая компьютерная рабочая станция, созданная под влиянием Xerox Alto и впервые выпущенная в 1979 году.
Компьютерная автоматизация Naked Mini LSI, компьютер, нашедший применение в испытательном оборудовании LSI IC и управлении процессами.
KMC11 - Периферийный процессор для PDP-11 Digital Equipment Corporation .
FPP-12 - модуль с плавающей запятой для Digital Equipment Corp. PDP-12 .
ЦП Wang 2200 (по одному 74181 на ЦП) и контроллер диска (2 74181 на контроллер)
TI-990 - серия 16-битных миникомпьютеров Texas Instruments .
Опция Honeywell 1100 - опция так называемой «научной единицы» для мэйнфреймов Honeywell серии H200 / H2000.
Datapoint 2200 версии II и последующие машины, Datapoint 5500, 6600 и 1800/3800 - компьютер, который определил архитектуру Intel 8008 .
Cogar System 4 / Singer 1501 / Интеллектуальный терминал ICL 1501
Varian Data Machines - серия 16-разрядных миникомпьютеров V70

Другое использование

Vectorbeam - Аркадная игра платформы используется Cinematronics для различных аркадных игр , включая Space Wars , Starhawk , Воин , Star замок и другие использует три 25LS181 чипы в 12-битный процессор.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Паспорта производителя:

Languages

In other projects