74181

74181 هي وحدة منطقية حسابية ( ALU ) مكونة من 4 بتات ، تم تنفيذها كدائرة متكاملة TTL من سلسلة 7400. تم تقديمها بواسطة Texas Instruments في فبراير 1970، ^[1] وكانت أول وحدة منطقية حسابية كاملة على شريحة واحدة. ^[2] تم استخدامها كنواة حسابية/منطقية في وحدات المعالجة المركزية للعديد من أجهزة الكمبيوتر الصغيرة المهمة تاريخيًا وغيرها من الأجهزة.

يمثل 74181 خطوة تطورية بين وحدات المعالجة المركزية في ستينيات القرن العشرين، والتي تم تصنيعها باستخدام بوابات منطقية منفصلة، ​​ووحدات المعالجة المركزية ذات المعالجات الدقيقة أحادية الشريحة اليوم . وعلى الرغم من عدم استخدامه بعد الآن في المنتجات التجارية، لا يزال يتم الإشارة إلى 74181 في كتب تنظيم الكمبيوتر والأوراق الفنية. كما يتم استخدامه أحيانًا في الدورات الجامعية "العملية" لتدريب مهندسي الكمبيوتر في المستقبل .

74181 عبارة عن دائرة متكاملة TTL متوسطة الحجم (MSI) من سلسلة 7400 ، تحتوي على ما يعادل 75 بوابة منطقية ^[3] ويتم تعبئتها بشكل شائع كـ DIP مكون من 24 سنًا . يمكن لوحدة الحساب والمنطق بعرض 4 بتات إجراء جميع عمليات الجمع / الطرح / النقصان التقليدية مع أو بدون حمل، بالإضافة إلى AND / NAND و OR / NOR و XOR و shift . تتوفر العديد من الاختلافات لهذه الوظائف الأساسية، بإجمالي 16 عملية حسابية و16 عملية منطقية على كلمتين مكونتين من أربع بتات. لا يتم توفير وظائف الضرب والقسمة ولكن يمكن إجراؤها في خطوات متعددة باستخدام وظائف shift والإضافة أو الطرح. Shift ليست وظيفة صريحة ولكن يمكن اشتقاقها من العديد من الوظائف المتاحة؛ على سبيل المثال، سيؤدي تحديد الوظيفة "A plus A" مع حمل (M = 0) إلى إزاحة حسابية إلى اليسار لمدخل A.

يقوم المعالج 74181 بتنفيذ هذه العمليات على متغيرين بأربعة بتات، مما يؤدي إلى توليد نتيجة بأربعة بتات مع حمل في 22 نانوثانية (45 ميجا هرتز). يقوم المعالج 74S181 بتنفيذ نفس العمليات في 11 نانوثانية (90 ميجا هرتز)، بينما يقوم المعالج 74F181 بتنفيذ العمليات في 7 نانوثانية (143 ميجا هرتز) (نموذجي).

يمكن دمج "شرائح" متعددة للحصول على أحجام كلمات كبيرة بشكل تعسفي. على سبيل المثال، يمكن دمج ستة عشر مولدًا من نوع 74S181 وخمسة مولدات من نوع 74S182 لإجراء نفس العمليات على متغيرات 64 بت في 28 نانوثانية (36 ميجا هرتز). وعلى الرغم من أن أداء معالجات 64 بت متعددة الجيجا هرتز اليوم كان أقل من أداء هذه المولدات، إلا أنه كان مثيرًا للإعجاب عند مقارنته بسرعات الساعة التي تقل عن الميجا هرتز لمعالجات 4 و8 بت المبكرة.

تنفذ 74181 جميع الدوال المنطقية الـ 16 الممكنة بمتغيرين. تتضمن الدوال الحسابية الجمع والطرح مع الحمل وبدونه. يمكن استخدامها مع البيانات النشطة العالية، حيث يتوافق المستوى المنطقي العالي مع 1، والبيانات النشطة المنخفضة، حيث يتوافق المستوى المنطقي المنخفض مع 1. ^[4]

هناك أربعة مدخلات اختيار، S0إلى S3، لاختيار الوظيفة. Mيستخدم للاختيار بين العملية المنطقية والحسابية، و Cnهو الإدخال. Aو Bهو البيانات المراد معالجتها (أربعة بتات). Fهو إخراج الأرقام. هناك أيضًا Pو Gإشارات لجامع الاستشراف المسبق ، والتي يمكن تنفيذها عبر شريحة واحدة أو أكثر من شرائح 74182.

في الجدول التالي، يتم الإشارة إلى AND على أنها حاصل ضرب، وOR بعلامة ، و XOR بعلامة ، و NOT منطقيًا بعلامة خط علوي، وعلامة الجمع والطرح الحسابية باستخدام كلمتي الجمع والطرح. ${\displaystyle +}$${\displaystyle \oplus }$

اختيار				بيانات منخفضة النشاط			بيانات نشطة عالية
				المنطق م = ح	الحساب م = ل		المنطق م = ح	الحساب م = ل
س3	س2	س1	س0		Cn = L (لا تحمل)	Cn = H (حمل)		Cn = H (لا تحمل)	Cn = L (حمل)
ل	ل	ل	ل	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$ناقص${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {أ}}$	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$زائد 1
ل	ل	ل	ح	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle AB}$ناقص${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {AB}}$	${\displaystyle {\overline {أ+ب}}}$	${\displaystyle أ+ب}$	${\displaystyle {(أ+ب)}}$زائد${\displaystyle 1}$
ل	ل	ح	ل	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ناقص${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+\overline {B}})}$زائد 1
ل	ل	ح	ح	منطقي 1	${\displaystyle -1}$ (مكمل الاثنين)	${\displaystyle 0}$(صفر)	منطقي 0	${\displaystyle -1}$ (مكمل الاثنين)	${\displaystyle 0}$(صفر)
ل	ح	ل	ل	${\displaystyle {\overline {أ+ب}}}$	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle (A+\overline {B}})}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle (A+\overline {B}})}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle (A{\overline {B}})}$${\displaystyle 1}$
ل	ح	ل	ح	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$زائد${\displaystyle (A+\overline {B}})}$	${\displaystyle AB}$زائد زائد${\displaystyle (A+\overline {B}})}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle (أ+ب)}$زائد${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle (أ+ب)}$زائد زائد${\displaystyle A{\overline {B}}}$${\displaystyle 1}$
ل	ح	ح	ل	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$ناقص ناقص${\displaystyle B}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ناقص${\displaystyle B}$	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$ناقص ناقص${\displaystyle B}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ناقص${\displaystyle B}$
ل	ح	ح	ح	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$زائد${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ناقص 1	${\displaystyle A{\overline {B}}}$
ح	ل	ل	ل	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle (أ+ب)}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle (أ+ب)}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle AB}$${\displaystyle 1}$
ح	ل	ل	ح	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle B}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle B}$${\displaystyle 1}$
ح	ل	ح	ل	${\displaystyle B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$زائد${\displaystyle (أ+ب)}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$زائد زائد${\displaystyle (أ+ب)}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle B}$	${\displaystyle (A+\overline {B}})}$زائد${\displaystyle AB}$	${\displaystyle (A+\overline {B}})}$زائد زائد${\displaystyle AB}$${\displaystyle 1}$
ح	ل	ح	ح	${\displaystyle أ+ب}$	${\displaystyle أ+ب}$	${\displaystyle AB}$زائد${\displaystyle 1}$	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle AB}$ناقص 1	${\displaystyle AB}$
ح	ح	ل	ل	منطقي 0	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle A}$${\displaystyle 1}$	منطقي 1	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$زائد زائد${\displaystyle A}$${\displaystyle 1}$
ح	ح	ل	ح	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$زائد${\displaystyle A}$	${\displaystyle AB}$زائد زائد${\displaystyle A}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (أ+ب)}$زائد${\displaystyle A}$	${\displaystyle (أ+ب)}$زائد زائد${\displaystyle A}$${\displaystyle 1}$
ح	ح	ح	ل	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$زائد${\displaystyle A}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$زائد زائد${\displaystyle A}$${\displaystyle 1}$	${\displaystyle أ+ب}$	${\displaystyle (A+\overline {B}})}$زائد${\displaystyle A}$	${\displaystyle (A+\overline {B}})}$زائد زائد${\displaystyle A}$${\displaystyle 1}$
ح	ح	ح	ح	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$زائد${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ناقص${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$

لقد عمل 74181 على تبسيط تطوير وتصنيع أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الأخرى التي تتطلب حسابات عالية السرعة بشكل كبير خلال السبعينيات وحتى أوائل الثمانينيات، ولا يزال يُشار إليه باعتباره تصميمًا "كلاسيكيًا" لوحدة الحساب والمنطق. ^[5]

قبل تقديم 74181، كانت وحدات المعالجة المركزية للكمبيوتر تشغل لوحات دوائر متعددة وحتى أجهزة الكمبيوتر البسيطة للغاية يمكن أن تملأ خزانات متعددة. سمح 74181 ببناء وحدة معالجة مركزية كاملة وفي بعض الحالات، كمبيوتر كامل على لوحة دائرة مطبوعة كبيرة واحدة . يحتل 74181 مرحلة مهمة تاريخيًا بين وحدات المعالجة المركزية القديمة القائمة على وظائف المنطق المنفصلة المنتشرة على لوحات دوائر متعددة والمعالجات الدقيقة الحديثة التي تدمج جميع وظائف وحدة المعالجة المركزية في شريحة واحدة. تم استخدام 74181 في العديد من أجهزة الكمبيوتر الصغيرة والأجهزة الأخرى بدءًا من سبعينيات القرن العشرين، ولكن مع تزايد قوة المعالجات الدقيقة، سقطت ممارسة بناء وحدة معالجة مركزية من مكونات منفصلة ولم يتم استخدام 74181 في أي تصميمات جديدة.

بحلول عام 1994، لم تكن تصميمات وحدة المعالجة المركزية المستندة إلى 74181 قابلة للتطبيق تجاريًا بسبب السعر المنخفض نسبيًا والأداء العالي للمعالجات الدقيقة. ومع ذلك، لا يزال 74181 محل اهتمام في تدريس تنظيم الكمبيوتر وتصميم وحدة المعالجة المركزية لأنه يوفر فرصًا للتصميم العملي والتجريب التي نادرًا ما تكون متاحة للطلاب. ^[6]

• مراجعة الإلكترونيات الرقمية باستخدام VHDL (إصدار Quartus II) في مجلة الهندسة الحديثة، المجلد 7، العدد 2، ربيع 2007.
• معالج TTL بسيط لاستكشاف الهندسة المعمارية ورقة تصف كيف يمكن استخدام 74181 لتدريس هندسة وحدة المعالجة المركزية.
• مختبر الأجهزة لدورة تنظيم الكمبيوتر في الكليات الصغيرة – مثال آخر لكيفية استخدام 74181 اليوم في بيئة التدريس.
• 74181 + 74182 عرض توضيحي لمحاكاة تعتمد على Java
• APOLLO181 (من تصميم Gianluca.G، إيطاليا 2012): معالج تعليمي محلي الصنع مصنوع من منطق TTL والذاكرة ثنائية القطب، ويعتمد على شرائح Bugbook I وII، وبشكل خاص على 74181.
• قم ببناء جهاز الكمبيوتر الخاص بك باستخدام المنطق والذاكرة، قبل ظهور المعالج الدقيق، مقطع فيديو يوضح تاريخ والاستخدام التعليمي لوحدة الحساب والمنطق 74181.
• نسخة تجريبية قابلة للعب من 74181 تم محاكاتها في محاكي الفيزياء

استندت العديد من وحدات المعالجة المركزية والأنظمة الفرعية للكمبيوتر على 74181، بما في ذلك العديد من النماذج ذات الأهمية التاريخية.

• NOVA – أول حاسوب صغير 16 بت  متوفر على نطاق واسع من إنتاج شركة Data General . كان NOVA 1200 أول حاسوب صغير تجاري في عام 1970 يستخدم المعالج 74181. ^[7]
• عدة نماذج من PDP-11 ^[8]  - الكمبيوتر الصغير الأكثر شعبية على الإطلاق، ^[9] من إنتاج شركة Digital Equipment Corporation .
• زيروكس ألتو  – أول جهاز كمبيوتر يستخدم استعارة سطح المكتب وواجهة المستخدم الرسومية (GUI). ^{[10] [11]}
• VAX-11/780  – أول جهاز VAX ، وهو جهاز الكمبيوتر 32 بت الأكثر شهرة في الثمانينيات ^[9] والذي تم تصنيعه بواسطة شركة Digital Equipment Corp. ^[12]
• Three Rivers PERQ  – محطة عمل كمبيوتر تجارية مستوحاة من Xerox Alto وتم إصدارها لأول مرة في عام 1979. ^[13]
• أتمتة الكمبيوتر Naked Mini LSI – وهو كمبيوتر تم استخدامه في معدات اختبار LSI IC والتحكم في العملية.
• KMC11 – معالج محيطي لجهاز PDP-11 من شركة Digital Equipment Corporation . ^[14]
• FPP-12 – وحدة النقطة العائمة لشركة Digital Equipment Corporation PDP-12 . ^[15]
• وحدة المعالجة المركزية Wang 2200 (وحدة 74181 واحدة لكل وحدة معالجة مركزية) ^[16] ووحدة التحكم في القرص (وحدتا 74181 لكل وحدة تحكم) ^[17]
• TI-990  – سلسلة أجهزة الكمبيوتر الصغيرة 16 بت من Texas Instruments .
• خيار Honeywell 1100 – خيار "الوحدة العلمية" المزعوم لسلسلة أجهزة الكمبيوتر المركزية Honeywell H200/H2000.
• Datapoint 2200 الإصدار الثاني ^[18] وأجهزة المتابعة، Datapoint 5500، و6600، و1800/3800 - الكمبيوتر الذي حدد بنية Intel 8008 .
• نظام Cogar 4 / Singer 1501 / ICL 1501 الطرفية الذكية ^[19]
• أجهزة بيانات Varian  – سلسلة V70 من أجهزة الكمبيوتر الصغيرة ذات 16 بت

• Vectorbeam  – منصة ألعاب الأركيد التي تستخدمها شركة Cinematronics لألعاب الأركيد المتنوعة بما في ذلك Space Wars و Starhawk و Warrior و Star Castle وغيرها تستخدم ثلاث شرائح 25LS181 في معالجها ذي 12 بت. ^[20]

• وحدة المنطق الحسابي
• جهاز التسلسل الدقيق
• الدوائر المتكاملة من سلسلة 7400
• قائمة الدوائر المتكاملة من سلسلة 7400

بيانات الشركة المصنعة:

• Texas Instruments (والمولد الكهربائي 74182)
• الإشارات
• فيليبس
• فيرتشايلد.

شرح كيفية عمل الشريحة

• داخل شريحة ALU 74181 القديمة: كيف تعمل ولماذا تبدو غريبة جدًا