ULA Documentação

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Universidade Federal Rural de Pernambuco
Unidade Acadêmica de Serra Talhada
Infra-Estrutura de Hardware
Alunos: Gerson Rodrigues e Felipe Oliveira
 	
 Unidade lógica e aritmética - ULA
Breve definição:
A unidade lógica e aritmética (ULA) ou em inglês Arithmetic Logic Unit (ALU) é um circuito digital que realiza operações lógicas e aritméticas. A ULA é uma peça fundamental da unidade central de processamento (CPU), e até dos mais simples microprocessadores. 
É na verdade, uma "grande calculadora eletrônica" do tipo desenvolvido durante a II Guerra Mundial, e sua tecnologia já estava disponível quando os primeiros computadores modernos foram construídos.
O matemático John von Neumann propôs o conceito de ULA em 1945, quando escreveu um relatório sobre os fundamentos para um novo computador chamado EDVAC. Pesquisas sobre ULAs ainda são uma parte importante da ciência da computação.
A tecnologia utilizada foi inicialmente relés, herança da telefonia, e posteriormente válvulas, herança da radiofonia. Com o aparecimento dos transistores, e depois dos circuitos integrados, os circuitos da unidade aritmética e lógica passaram a ser implementados com a tecnologia de semi-condutores.
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Unidade_l%C3%B3gica_e_aritm%C3%A9tica
Visão Geral
Para desenvolver o presente projeto, utilizamos uma ferramenta gráfica para projeto e simulação de circuitos lógicos, o Logisim. 
Unidade lógica aritmética feita a partir do Logisim.
Componentes da ULA
A ULA executa as principais operações lógicas e aritméticas do computador. Ela soma, subtrai, complemento a 2 de B e determina se um número é maior, menor ou igual. Além de executar funções aritméticas, uma ULA deve ser capaz de determinar se um número é positivo, negativo ou se é zero. Para exibir os valores que serão inseridos na ULA para que ela faça as possíveis operações citadas acima, pode-se utilizar um Display de 7 segmentos. Este display foi feito pra que mostre números de 7 à -7 se a operação da ULA fugir desse intervalo o display não funcionara corretamente. Os resultados de maior, menor e igualdade também são mostrados no display, sendo que, se a operação for verdadeira mostrará -1 (menos um) no display, caso contrario, mostrará zero indicando que a operação é falsa.
Display de 7 segmentos
Para que o Display funcione mostrando os números perfeitamente, criamos uma tabela da verdade, onde ao inserirmos os valores em forma de binário pelos operadores X,Y,Z,W ele acende as ‘’luzes’’ formando o número desejado, sendo que o display mostra número no intervalo de 7 à -7.
	Tabela Verdade do Display de 7 segmentos da ULA de 7 a -7
	Nº
	X
	Y
	Z
	W
	A
	B
	C
	D
	E
	F
	G
	Sinal
	0
	0
	0
	0
	0
	1
	1
	1
	1
	1
	1
	0
	0
	1
	0
	0
	0
	1
	0
	1
	1
	0
	0
	0
	0
	0
	2
	0
	0
	1
	0
	1
	1
	0
	1
	1
	0
	1
	0
	3
	0
	0
	1
	1
	1
	1
	1
	1
	0
	0
	1
	0
	4
	0
	1
	0
	0
	0
	1
	1
	0
	0
	1
	1
	0
	5
	0
	1
	0
	1
	1
	0
	1
	1
	0
	1
	1
	0
	6
	0
	1
	1
	0
	1
	0
	1
	1
	1
	1
	1
	0
	7
	0
	1
	1
	1
	1
	1
	1
	0
	0
	0
	0
	0
	8
	1
	0
	0
	0
	1
	1
	1
	1
	1
	1
	1
	0
	-7
	1
	0
	0
	1
	1
	1
	1
	0
	0
	0
	0
	1
	-6
	1
	0
	1
	0
	1
	0
	1
	1
	1
	1
	1
	1
	-5
	1
	0
	1
	1
	1
	0
	1
	1
	0
	1
	1
	1
	-4
	1
	1
	0
	0
	0
	1
	1
	0
	0
	1
	1
	1
	-3
	1
	1
	0
	1
	1
	1
	1
	1
	0
	0
	1
	1
	-2
	1
	1
	1
	0
	1
	1
	0
	1
	1
	0
	1
	1
	-1
	1
	1
	1
	1
	0
	1
	1
	0
	0
	0
	0
	1
Mapa de Karnaugh
Transformando as expressões alcançadas no mapa de Karnaugh em circuitos lógicos
Somador de 4 bits
 Para construir um somador que fizesse uma operação entre números possíveis formados com 4 bits, por exemplo 0001 que quer dizer 1, 1001 que quer dizer 9 e etc, sabendo que só é possível exibir no Display números entre o intervalo de -7 a 7, agrupamos quatro somadores completos interligados, onde o “vai um” de um somador se liga ao “vem um” do próximo somador.
Somador completo
Somador de 4 bits
Subtrator 4 de bits
Para o Subtrator, adicionamos nos bits de entrada das postas B um inversor, que logicamente faz o papel de inverter o bit de entrada e assim soma os bits do B mais um (complementa 2) e então soma com os bits das portas A. é assim que funciona o Subtrator.
Inversor do bit de entrada B
Localização do inversor
Igualdade
Para verificar se um número é igual a outro, é necessário utilizar o subtrator, onde ao analisarmos o resultado da subtração podemos identificar se um número é igual ou não ao outro, por lógica se a subtração de um numero por outro restar 0, então significa que os numero são iguais, caso a subtração dê qualquer outro valor, significa dizer que os números são diferentes, e para isso utilizamos um circuito lógico que verifica se a igualdade é verdadeira.
Verificador de igualdade
Posicionamento na ULA
Maior que e Menor que 
Para verificar se um número é maior ou menor que outro, também se utiliza o Subtrator, onde se observa a seguinte lógica, ao subtrairmos dois números podemos analisar o valor do resultado (positivo ou negativo) da operação e determinar se um número é maior ou menor que o outro, por exemplo, ao subtrair 5 – 2 teremos como resultado o numero 3 positivo, então significa dizer que o primeiro numero (5) é maior que o segundo numero (2), no outro sentido uma subtração, 2 – 5, teremos como resultado -3 (3 negativo) o que significa dizer que o primeiro numero(2) é menor que o segundo numero(5) subtraído.
Nos circuito lógico o maior que ou o menor que é identificado pelo primeiro bit, o bit de sinal.
Verificador de sinal
Posicionamento na ULA
OBS: No Display, caso a operação seja verdadeira, aparecerá o valor de 1, caso contrário aparecerá 0.
AND BIT A BIT
Nesse circuito será realizada a operação lógica AND, de bit a bit, ou termo a termo, por exemplo, A0 e o B0 são colocados em uma porta AND onde será realizada a operação, e assim para o A1 e B1, A2 e B2, A3 e B3. Para comparar bit a bit, dois números formados por 4 bits, agrupasse quatro portas AND’s ligadas nos seus respectivos bits de entrada
Porta AND bit a bit
AND completo bit a bit
Posicionamento na ULA
XOR BIT A BIT
Nesse circuito será realizada a operação lógica XOR, de bit a bit, ou termo a termo, por exemplo, A0 e o B0 são colocados em uma porta XOR onde será realizado a operação, e assim para o A1 e B1, A2 e B2, A3 e B3. Para comparar bit a bit, dois números formados por 4 bits, agrupasse quatro portas XOR’s ligadas nos seus respectivos bits de entrada
Porta XOR bit a bit
XOR completo bit a bit
Posicionamento na ULA
MULTPLEXADOR
O multiplexador é um circuito combinacional dedicado com a finalidade de selecionar, através de variáveis de seleção, uma de suas entradas, conectando-a eletronicamente à uma única saída. Esta operação é denominada de multiplex ou multiplexação, que significa seleção e tanto as entradas como a saída são denominadas também de canais de entrada e saída.
 
Visão do multiplexador implementado	
	Tabela Verdade do Multiplexador
	Função
	S0
	S1
	S2
	Saída
	A+B
	0
	0
	0
	E0
	A-B
	0
	0
	1
	E1
	Comp2
	0
	1
	0
	E2
	A=B
	0
	1
	1
	E3
	A>B
	1
	0
	0
	E4
	A<B
	1
	0
	1
	E5
	AandB
	1
	1
	0
	E6
	AxorB
	1
	1
	1
	E7
Posicionamento na ULA
Negar A
	Esse circuito serve para negar a porta de entrada A, fazendo com que ela fique sempre zero caso o seletor selecione a operação de complementar 2(010). O complementar 2 funciona da seguinte forma: primeiro a porta de entrada A tem que ser zero, por isso o circuito Negar A foi feito, em seguida A porta de entrada B é invertida e depois é somada mais 1(um) e assim o número é invertido para negativo.
Negar 
Localização do Negar A 
Seletor AND & XOR
Esse seletor serve como um mutiplexador que libera as saidas quando o seletor é selecionado para exibir a operção AND(110) ou XOR(111). 
Seletor AND & XOR
Localização do seletor AND & XOR
Seletor do Somadorde 4 bits
	Esse seletor seleciona a operação em que o somador é necessario para a solução da operação.
Seletor do Somador de 4 bits