74181

4-битный битовый срез ALU 74S181, лежащий на странице из таблицы данных.

74181 4 представляет собой -битное арифметико-логическое устройство (АЛУ), реализованное в виде серии 7400 TTL интегральной схемы . Представлен компанией Texas Instruments в феврале 1970 года. ^[1] это был первый полный ALU на одном кристалле. ^[2] Он использовался в качестве арифметико-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 сегодняшними однокристальными микропроцессорными процессорами. Хотя 74181 больше не используется в коммерческих продуктах, он все еще упоминается в учебниках и технических документах по компьютерным организациям . Его также иногда используют на «практических» курсах в колледжах для обучения будущих компьютерных архитекторов .

Технические характеристики

Схема комбинационной логики интегральной схемы 74181.

74181 — это серии 7400 средней интеграции (MSI) TTL- интегральная схема , содержащая эквивалент 75 логических элементов. ^[3] и чаще всего поставляется в виде 24-контактного DIP- разъема . АЛУ шириной 4 бита может выполнять все традиционные операции сложения/вычитания/уменьшения с переносом или без него, а также И /НЕИ, ИЛИ /НЕ, XOR и сдвиг . Доступно множество вариантов этих основных функций, в общей сложности 16 арифметических и 16 логических операций над двумя четырехбитными словами. Функции умножения и деления не предусмотрены, но их можно выполнить в несколько этапов с помощью функций сдвига и сложения или вычитания. Shift не является явной функцией, но может быть получена 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 — за 7 наносекунд (143 МГц) (типично).

Несколько «фрагментов» можно комбинировать для получения слов произвольного размера. Например, шестнадцать 74S181 и пять генераторов переноса с упреждением 74S182 можно объединить для выполнения одних и тех же операций с 64-битными операндами за 28 наносекунд (36 МГц). Несмотря на то, что производительность современных 64-битных микропроцессоров с частотой несколько гигагерц была омрачена, это было весьма впечатляюще по сравнению с тактовой частотой менее мегагерца первых 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. активного высокого уровня (высокий уровень соответствует 1) и низкого уровня активного уровня (низкий уровень соответствует 1) Его можно использовать с данными на логических уровнях . ^[4]

Входы и выходы

Имеется четыре входа выбора, S0 к S3, чтобы выбрать функцию. M используется для выбора между логическими и арифметическими операциями, и Cn это перенос. A и B данные, подлежащие обработке (четыре бита). F это числовой вывод. Есть также P и G сигналы для сумматора с упреждающим переносом , который может быть реализован посредством одной или нескольких микросхем 74182 .

Таблица функций для выхода F

В следующей таблице AND обозначается как продукт, OR с $+$ знак, XOR с $\oplus$ , логическое НЕ с чертой и арифметическими плюсами и минусами с использованием слов плюс и минус.

Выбор				Активно-низкие данные			Активно-высокие данные
				Логика М = Ч	Арифметика М = L		Логика М = Ч	Арифметика М = L
S3	С2	С1	S0		Cn = L (без переноса)	Cn = H (перенос)		Cn = H (без переноса)	Cn = L (перенос)
л	л	л	л	${\overline {A}}$	$A$ минус $1$	${A}$	${\overline {A}}$	$A$	$A$ плюс 1
л	л	л	ЧАС	${\overline {AB}}$	$AB$ минус $1$	${AB}$	${\overline {A+B}}$	$A+B$	${(A+B)}$ плюс $1$
л	л	ЧАС	л	${\overline {A}}+B$	$A{\overline {B}}$ минус $1$	$A{\overline {B}}$	${\overline {A}}B$	$A+{\overline {B}}$	$(A+{\overline {B}})$ плюс 1
л	л	ЧАС	ЧАС	Логический 1	$-1$ (дополнение до двух)	$0$ (ноль)	Логический 0	$-1$ (дополнение до двух)	$0$ (ноль)
л	ЧАС	л	л	${\overline {A+B}}$	$A$ плюс $(A+{\overline {B}})$	$A$ плюс $(A+{\overline {B}})$ плюс $1$	${\overline {AB}}$	$A$ плюс $A{\overline {B}}$	$A$ плюс $(A{\overline {B}})$ плюс $1$
л	ЧАС	л	ЧАС	${\overline {B}}$	$AB$ плюс $(A+{\overline {B}})$	$AB$ плюс $(A+{\overline {B}})$ плюс $1$	${\overline {B}}$	$(A+B)$ плюс $A{\overline {B}}$	$(A+B)$ плюс $A{\overline {B}}$ плюс $1$
л	ЧАС	ЧАС	л	${\overline {A\oplus B}}$	$A$ минус $B$ минус $1$	$A$ минус $B$	$A\oplus B$	$A$ минус $B$ минус $1$	$A$ минус $B$
л	ЧАС	ЧАС	ЧАС	$A+{\overline {B}}$	$A+{\overline {B}}$	$A+{\overline {B}}$ плюс $1$	$A{\overline {B}}$	$A{\overline {B}}$ минус 1	$A{\overline {B}}$
ЧАС	л	л	л	${\overline {A}}B$	$A$ плюс $(A+B)$	$A$ плюс $(A+B)$ плюс $1$	${\overline {A}}+B$	$A$ плюс $AB$	$A$ плюс $AB$ плюс $1$
ЧАС	л	л	ЧАС	$A\oplus B$	$A$ плюс $B$	$A$ плюс $B$ плюс $1$	${\overline {A\oplus B}}$	$A$ плюс $B$	$A$ плюс $B$ плюс $1$
ЧАС	л	ЧАС	л	$B$	$A{\overline {B}}$ плюс $(A+B)$	$A{\overline {B}}$ плюс $(A+B)$ плюс $1$	$B$	$(A+{\overline {B}})$ плюс $AB$	$(A+{\overline {B}})$ плюс $AB$ плюс $1$
ЧАС	л	ЧАС	ЧАС	$A+B$	$A+B$	$AB$ плюс $1$	$AB$	$AB$ минус 1	$AB$
ЧАС	ЧАС	л	л	Логический 0	$A$ плюс $A$	$A$ плюс $A$ плюс $1$	Логический 1	$A$ плюс $A$	$A$ плюс $A$ плюс $1$
ЧАС	ЧАС	л	ЧАС	$A{\overline {B}}$	$AB$ плюс $A$	$AB$ плюс $A$ плюс $1$	$A+{\overline {B}}$	$(A+B)$ плюс $A$	$(A+B)$ плюс $A$ плюс $1$
ЧАС	ЧАС	ЧАС	л	$AB$	$A{\overline {B}}$ плюс $A$	$A{\overline {B}}$ плюс $A$ плюс $1$	$A+B$	$(A+{\overline {B}})$ плюс $A$	$(A+{\overline {B}})$ плюс $A$ плюс $1$
ЧАС	ЧАС	ЧАС	ЧАС	$A$	$A$	$A$ плюс $1$	$A$	$A$ минус $1$	$A$

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 ALU. ^[5]

До появления 74181 компьютерные процессоры занимали несколько печатных плат, и даже очень простые компьютеры могли занимать несколько шкафов. Модель 74181 позволяла собрать весь процессор, а в некоторых случаях и весь компьютер, на одной большой печатной плате . 74181 занимает исторически значимую ступень между старыми ЦП, основанными на функциях дискретной логики, распределенными по нескольким печатным платам, и современными микропроцессорами, которые объединяют все функции ЦП в одном кристалле. 74181 использовался в различных миникомпьютерах и других устройствах, начиная с 1970-х годов, но по мере того, как микропроцессоры становились более мощными, практика построения ЦП из дискретных компонентов вышла из моды, и 74181 не использовался ни в каких новых конструкциях.

Сегодня

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

цифровой электроники с VHDL (версия Quartus II) Обзор в Journal of Modern Engineering, том 7, номер 2, весна 2007 г.
Минимальный TTL-процессор для исследования архитектуры - документ, описывающий, как 74181 можно использовать для обучения архитектуре ЦП.
Лаборатория аппаратного обеспечения для курса компьютерной организации в небольших колледжах – еще один пример того, как 74181 сегодня используется в учебной среде.
74181 + 74182 демонстрационный симулятор на базе Java
APOLLO181 (от Gianluca.G, Италия, 2012 г.): самодельный образовательный процессор на основе TTL-логики и биполярной памяти, основанный на чипах Bugbook I и II, в частности на 74181.
Создайте свой компьютер, используя ЛОГИКУ И ПАМЯТЬ, до появления микропроцессора было показано видео, показывающее историю и образовательное использование АЛУ 74181.
Игровая демо-версия 74181, эмулированная в физическом симуляторе.

Компьютеры

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

NOVA — Первый широко доступный 16-битный мини-компьютер производства Data General . NOVA 1200 был первым коммерческим миникомпьютером 1970 года, в котором использовалась модель 74181. ^[7]
Несколько моделей PDP-11 ^[8] – Самый популярный миникомпьютер всех времен, ^[9] производства корпорации Digital Equipment .
Xerox Alto – первый компьютер, использующий метафору рабочего стола и графический интерфейс пользователя (GUI). ^[10]^[11]
VAX-11/780 — первый VAX , самый популярный 32-битный компьютер 1980-х годов. ^[9] производства компании Digital Equipment Corp. ^[12]
Three Rivers PERQ — коммерческая компьютерная рабочая станция, созданная по мотивам Xerox Alto и впервые выпущенная в 1979 году. ^[13]
Компьютерная автоматизация Naked Mini LSI - компьютер, который нашел применение в испытательном оборудовании LSI IC и управлении технологическими процессами.
KMC11 — Периферийный процессор для Digital Equipment Corporation PDP-11 . ^[14]
FPP-12 — блок вычислений с плавающей запятой для Digital Equipment Corporation PDP-12 . ^[15]
Процессор Wang 2200 (по одному процессору 74181 на процессор) ^[16] и контроллер диска (по два 74181 на контроллер) ^[17]
TI-990 - Texas Instruments . серия 16-битных миникомпьютеров
Опция Honeywell 1100 — так называемая опция «научного блока» для мэйнфреймов Honeywell серий H200/H2000.
Datapoint 2200 Версия II ^[18] и последующие машины, Datapoint 5500, 6600 и 1800/3800 — компьютер, определивший архитектуру Intel 8008 .
Cogar System 4 / Singer 1501 / ICL 1501 Интеллектуальный терминал ^[19]
Varian Data Machines – серия 16-битных миникомпьютеров V70

Другое использование

Vectorbeam — аркадная игровая платформа, используемая Cinematronics для различных аркадных игр, включая Space Wars , Starhawk , Warrior , Star Castle и других, в своем 12-битном процессоре используются три чипа 25LS181. ^[20]

См. также

Ссылки

^ Хёльтген, Стефан, изд. (2017). Логика, теория информации [ Logic, Information Theory ] (на немецком языке). Грютер. стр. 115. ИСБН 9783110477504 – через Google Книги.
^ Дэниел П. Сиворек ; К. Гордон Белл ; Аллен Ньюэлл . «Глава 6: Структура» . Компьютерные структуры: принципы и примеры (PDF) . п. 63. Самый ранний и самый известный чип, арифметико-логическое устройство (АЛУ) 74181, обеспечивал до 32 функций двух 4-битных переменных.
^ Мердокка, Майлз; Герасулис, Апостол; Леви, Саул (1 октября 1991 г.). Новая архитектура оптического компьютера с использованием реконфигурируемых межсоединений (отчет). п. 23. Логическая схема 74181 . Логических элементов 63.
^ «SN54LS181, SN54S181 SN74LS181, SN 74S181 АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ/ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ» (PDF) . Техасские инструменты . Март 1988 года.
^ Kestrel: Проект 8-битного параллельного процессора SIMD (PDF) . Учеб. 17-я Конф. по перспективным исследованиям в области СБИС. 15–17 сентября 1997 г. с. 11.
^ Брэдфорд Дж. Родригес. Минимальный TTL-процессор для исследования архитектуры . Материалы симпозиума ACM по прикладным вычислениям 1994 года. Изучение компьютерной архитектуры часто представляет собой абстрактное упражнение на бумаге. Студенты не могут исследовать внутреннюю работу однокристального микропроцессора, и немногие машины с дискретной логикой открыты для проверки студентами.
^ «История 74181 в коммерческих миникомпьютерах» . Архивировано из оригинала 02.11.2019.
^ К. Гордон Белл ; Дж. Крейг Мадж; Джон Э. Макнамара (август 1979 г.). Компьютерная инженерия: взгляд DEC на проектирование аппаратных систем . Цифровая пресса. п. 335 336. ISBN 0-932376-00-2 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Боб Супник (31 августа 2004 г.). «Симуляторы: виртуальные машины прошлого (и будущего)» . Очередь АКМ . 2 (5).
^ «Финальная демонстрация компьютера Xerox 'Star'» . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 15 ноября 2007 г. Проверено 28 октября 2007 г.
^ Дель Россо, Том (октябрь – декабрь 1994 г.). «IC Corner: ранние IC ALU в Xerox Alto» (PDF) . Аналитическая машина . 2 (2). Калифорнийская ассоциация компьютерной истории: 17.
^ «VAX-11/780, на временной шкале цифровых вычислений, 1977» . Службы исследования цифровой информации через Microsoft Research (research.microsoft.com). 30 апреля 1998 года . Проверено 2 ноября 2007 г.
^ Дуэлл, Тони (май 1995 г.). «Подробнее о перипатетике 74x181» (PDF) . Аналитическая машина . 2 (3). Калифорнийская ассоциация компьютерной истории: 27.
^ «Ранние периферийные устройства PDP-11» . Архивировано из оригинала 25 июля 2011 г. Проверено 28 октября 2007 г.
^ Руководство пользователя процессора с плавающей запятой FPP12A (PDF) . Корпорация цифрового оборудования. Декабрь 1973 г. с. 5-24. DEC-12-HFPPA-AD.
^ «Описание микроархитектуры Wang 2200» .
^ «Описание канала диска Wang 2200» .
^ Пакет чертежей Datapoint 2200 версий I и II (PDF) . п. 36.
^ «Интеллектуальный терминал ICL 1501» . Компьютерный музей Алларда в Гронингене . Архивировано из оригинала 23 апреля 2015 года . Проверено 23 апреля 2015 г.
^ Эксплуатация и обслуживание Звездного замка . Синематроника, Инк. 1980.

Внешние ссылки

Паспорта производителя:

Объяснение принципа работы чипа

Внутри винтажного чипа ALU 74181: как он работает и почему это так странно

[1] Хёльтген, Стефан, изд. (2017). Логика, теория информации [ Logic, Information Theory ] (на немецком языке). Грютер. стр. 115. ИСБН 9783110477504 – через Google Книги.

[2] Дэниел П. Сиворек ; К. Гордон Белл ; Аллен Ньюэлл . «Глава 6: Структура» . Компьютерные структуры: принципы и примеры (PDF) . п. 63. Самый ранний и самый известный чип, арифметико-логическое устройство (АЛУ) 74181, обеспечивал до 32 функций двух 4-битных переменных.

[3] Мердокка, Майлз; Герасулис, Апостол; Леви, Саул (1 октября 1991 г.). Новая архитектура оптического компьютера с использованием реконфигурируемых межсоединений (отчет). п. 23. Логическая схема 74181 . Логических элементов 63.

[4] «SN54LS181, SN54S181 SN74LS181, SN 74S181 АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ/ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ» (PDF) . Техасские инструменты . Март 1988 года.

[5] Kestrel: Проект 8-битного параллельного процессора SIMD (PDF) . Учеб. 17-я Конф. по перспективным исследованиям в области СБИС. 15–17 сентября 1997 г. с. 11.

[6] Брэдфорд Дж. Родригес. Минимальный TTL-процессор для исследования архитектуры . Материалы симпозиума ACM по прикладным вычислениям 1994 года. Изучение компьютерной архитектуры часто представляет собой абстрактное упражнение на бумаге. Студенты не могут исследовать внутреннюю работу однокристального микропроцессора, и немногие машины с дискретной логикой открыты для проверки студентами.

[7] «История 74181 в коммерческих миникомпьютерах» . Архивировано из оригинала 02.11.2019.

[8] К. Гордон Белл ; Дж. Крейг Мадж; Джон Э. Макнамара (август 1979 г.). Компьютерная инженерия: взгляд DEC на проектирование аппаратных систем . Цифровая пресса. п. 335 336. ISBN 0-932376-00-2 .

[acmqueue.org-9] Перейти обратно: ^а ^б Боб Супник (31 августа 2004 г.). «Симуляторы: виртуальные машины прошлого (и будущего)» . Очередь АКМ . 2 (5).

[10] «Финальная демонстрация компьютера Xerox 'Star'» . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 15 ноября 2007 г. Проверено 28 октября 2007 г.

[11] Дель Россо, Том (октябрь – декабрь 1994 г.). «IC Corner: ранние IC ALU в Xerox Alto» (PDF) . Аналитическая машина . 2 (2). Калифорнийская ассоциация компьютерной истории: 17.

[12] «VAX-11/780, на временной шкале цифровых вычислений, 1977» . Службы исследования цифровой информации через Microsoft Research (research.microsoft.com). 30 апреля 1998 года . Проверено 2 ноября 2007 г.

[13] Дуэлл, Тони (май 1995 г.). «Подробнее о перипатетике 74x181» (PDF) . Аналитическая машина . 2 (3). Калифорнийская ассоциация компьютерной истории: 27.

[14] «Ранние периферийные устройства PDP-11» . Архивировано из оригинала 25 июля 2011 г. Проверено 28 октября 2007 г.

[15] Руководство пользователя процессора с плавающей запятой FPP12A (PDF) . Корпорация цифрового оборудования. Декабрь 1973 г. с. 5-24. DEC-12-HFPPA-AD.

[16] «Описание микроархитектуры Wang 2200» .

[17] «Описание канала диска Wang 2200» .

[18] Пакет чертежей Datapoint 2200 версий I и II (PDF) . п. 36.

[19] «Интеллектуальный терминал ICL 1501» . Компьютерный музей Алларда в Гронингене . Архивировано из оригинала 23 апреля 2015 года . Проверено 23 апреля 2015 г.

[20] Эксплуатация и обслуживание Звездного замка . Синематроника, Инк. 1980.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]