Quelltext der Seite 74181

[[Datei:SN74S181N.JPG|mini|Eine 74S181 4-bit ALU vor einer Seite des Datenblatts]]

Die '''74181''' ist eine 4-Bit-[[Arithmetisch-logische Einheit]] (ALU) auf einem [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreis]] aus der [[74xx]]-Serie, die erste ALU auf einem Chip. Die Einführung erfolgte 1970 durch Texas Instruments und machte den Bau von [[Minirechner|Minicomputern]] einfacher und billiger. Der Chip wurde als [[Bit-Slice]]-Baustein eingesetzt und findet sich in zahlreichen historischen Minicomputern.<ref>{{Internetquelle |autor=Ken Shirriff |url=http://www.righto.com/2017/03/inside-vintage-74181-alu-chip-how-it.html |titel=Inside the vintage 74181 ALU chip: how it works and why it's so strange |abruf=2024-06-18}}</ref>

== Funktion ==
[[Datei:74181aluschematic.png|hochkant=1.8|mini|[[Schaltnetz]] der 74181. Im Vergleich zu den XOR-Gates in der Dokumentation von [[Texas Instruments]]<ref name=":0" /> werden hier, in der 2. Reihe von unten, AND-Gates mit einem negierten Eingang benutzt.]]
Die 74181 ist ein Baustein mit mittlerem [[Integrationsgrad]] (MSI), der über 75 äquivalente [[Logikgatter]] verfügt. Die ursprüngliche Ausführung war in [[TTL-Logik]]. Er wurde typischerweise als 24-Pin-Gehäuse ausgeliefert.  Diese ALU kann auf Worten von vier Bit
* alle [[Logische Verknüpfung|16 logischen Operationen]] mit zwei Variablen
* Addition mit und ohne [[Übertrag]]
* Subtraktion mit und ohne [[Übertrag]]
* [[Inkrement und Dekrement]]
* Vergleich von Werten auf gleich, größer oder kleiner
durchführen. Bei Addition und Subtraktion werden auch die Signale für [[Carry-Look-Ahead-Addierer]] erzeugt, so dass sich mehrere 74181 zu einem Addiernetzwerk zusammenschalten lassen. Dies konnte mit dem dazu gehörigen Baustein [[74182]] geschehen.<ref name=":0">{{Internetquelle |url=https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn54ls181.pdf |titel=SN54LS181, SN54S181, SN74LS181, SN 74S181 Arithmetic Logic Units/Function Generators. |hrsg=[[Texas Instruments]] |datum=1988-03 |abruf=2022-12-10 |format=PDF}}</ref> Alternativ können mehrere 74181 auch durch Verschalten des Ausgangs <math>C_{n+4}</math> mit dem Eingang <math>C_n</math> des folgenden Schaltkreises als [[Ripple-Carry-Addierer]] verwendet werden, wenn die Geschwindigkeit unkritisch ist.

== Ein- und Ausgänge ==
Die 74181 verfügt über vierzehn Eingänge: Jeweils vier für die beiden Operanden <math>A_0</math> bis <math>A_3</math> und <math>B_0</math> bis <math>B_3</math>, vier Eingänge für die Auswahl der Operation <math>S_0</math> bis <math>S_3</math>, einen Eingang <math>M</math> für die Auswahl, ob logische oder arithmetische Operationen durchgeführt werden, und ein Eingangssignal für den Übertrag <math>C_n</math>.
Die acht Ausgänge sind die vier Ergebnisse <math>F_0</math> bis <math>F_3</math>, der entstehende Übertrag <math>C_{n+4}</math>, die Ausgänge <math>P</math> für propagate und <math>G</math> für das propagate- und generate-Signal des carry-lookahead-Addiers sowie ein Ausgang <math>A=B</math>, der die Gleichheit der beiden Eingabewerte anzeigt.

== Logikpegel ==
Die 74181 kann sowohl mit dem [[Logikpegel]] active-low (niedrige Spannung entspricht der logischen 1) als auch active-high (hohe Spannung entspricht der logischen 1) betrieben werden. Der Baustein selber liefert immer die gleichen Ergebnisse, aber die Interpretation der Daten ändert sich damit.

== Funktionstabelle für ''F'' ==
In der folgenden Funktionstabelle ist das logische UND als Produkt dargestellt und das logische ODER als <math>+</math>.  'L' steht für den niedrigen Spannungspegel, 'H' für den hohen.

{| class="wikitable" style="text-align:center;"
|- style="background:#DDEEFF"
|colspan=4 style="border-right: 2px solid" |'''Auswahl'''
| colspan=3 style="border-right: 2px solid" |'''Active-low data'''
|colspan="3"| '''Active-high data'''
|- style="background:#FFEEDD"
| colspan=4 style="border-right: 2px solid" |
|'''Logik''' <math>M = H</math>
|colspan=2 style="border-right: 2px solid"|'''Arithmetisch''' <math>M = L</math>
|'''Logik''' <math>M = H</math>
|colspan="2"|'''Arithmetisch''' <math>M = L</math>
|- style="background:#DDEEFF"
| <math>S_3</math> || <math>S_2</math> || <math>S_1</math> ||style="border-right: 2px solid | <math>S_0</math> ||  || <math>C_n = L</math> Kein Übertrag || <math>C_n = H</math> Übertrag
|style="border-left: 2px solid | || <math>C_n = L</math> Kein Übertrag || <math>C_n = H</math> Übertrag
|-
| L || L || L ||style="border-right: 2px solid | L || <math>\overline{A}</math> || <math>A </math> minus <math>1</math> ||  <math>{A}</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>\overline{A}</math> || <math>A</math> || <math>A</math> plus <math>1</math>
|-
| L || L || L ||style="border-right: 2px solid | H || <math>\overline{AB}</math> || <math>AB </math> minus <math>1</math> || <math>{AB}</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>\overline{A + B}</math> || <math>A + B</math> || <math>{(A + B)}</math> plus <math>1</math>
|-
| L || L || H ||style="border-right: 2px solid | L || <math>\overline{A} + B</math>|| <math>A \overline{B} </math> minus <math>1</math>||  <math>A \overline{B}</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>\overline{A}B</math>|| <math>A + \overline{B}</math> ||  <math>(A + \overline{B})</math> plus <math>1</math>
|-
| L || L || H ||style="border-right: 2px solid | H || Logical 1 || <math>-1</math>  (Zweierkomplement)||  <math>0</math> (zero)
|style="border-left: 2px solid | Logical 0 || <math>-1</math>  (Zweierkomplement)||  <math>0</math> (zero)
|-
| L || H || L ||style="border-right: 2px solid | L || <math>\overline{A+B}</math> || <math>A</math> plus <math>(A + \overline{B})</math> ||  <math>A</math> plus <math>(A + \overline{B})</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>\overline{AB}</math> || <math>A</math> plus <math>A \overline{B}</math> ||  <math>A</math> plus <math>(A\overline{B})</math> plus <math>1</math>
|-
| L || H || L ||style="border-right: 2px solid | H || <math>\overline{B}</math> || <math>AB</math> plus <math>(A + \overline{B})</math> ||  <math>AB</math> plus <math>(A + \overline{B})</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>\overline{B}</math> || <math>(A + B)</math> plus <math>A \overline{B}</math> ||  <math>(A + B)</math> plus <math>A \overline{B}</math> plus <math>1</math>
|-
| L || H || H ||style="border-right: 2px solid | L || <math>\overline{A \oplus B}</math> || <math>A </math> minus <math> B </math> minus <math>1</math> ||  <math>A </math> minus <math> B </math>
|style="border-left: 2px solid | <math>A \oplus B</math> || <math>A </math> minus <math> B </math> minus <math>1</math> ||  <math>A </math> minus <math> B </math>
|-
| L || H || H ||style="border-right: 2px solid | H || <math>A + \overline{B}</math> || <math>A + \overline{B}</math> ||  <math>A + \overline{B}</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>A\overline{B}</math> || <math>A \overline{B}</math> minus <math>1</math> || <math>A\overline{B}</math>
|-
| H || L || L ||style="border-right: 2px solid | L || <math>\overline{A}B</math>|| <math>A</math> plus <math>(A + B)</math> || <math>A</math> plus <math>(A + B)</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>\overline{A} + B</math>|| <math>A</math> plus <math>A  B</math> || <math>A</math> plus <math>A  B</math> plus <math>1</math>
|-
| H || L || L ||style="border-right: 2px solid | H || <math>A \oplus B</math> || <math>A</math> plus <math>B</math> || <math>A</math> plus <math>B</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>\overline{A \oplus B}</math> || <math>A</math> plus <math>B</math> || <math>A</math> plus <math>B</math> plus <math>1</math>
|-
| H || L || H ||style="border-right: 2px solid | L || <math>B</math> || <math>A \overline{B}</math> plus <math>(A + B)</math> ||  <math>A \overline{B}</math> plus <math>(A + B)</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>B</math> || <math>(A + \overline{B})</math> plus <math>A B</math> ||  <math>(A + \overline{B})</math> plus <math>A B</math> plus <math>1</math>
|-
| H || L || H ||style="border-right: 2px solid | H || <math>A + B</math> || <math>A + B</math> ||  <math>AB </math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>AB</math> || <math>A B</math> minus <math>1</math> ||  <math>AB </math>
|-
| H || H || L ||style="border-right: 2px solid | L || Logical 0 || <math>A</math> plus <math>A</math> ||  <math>A</math> plus <math>A</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | Logical 1 || <math>A</math> plus <math>A</math> ||  <math>A</math> plus <math>A</math> plus <math>1</math>
|-
| H || H || L ||style="border-right: 2px solid | H || <math>A \overline{B}</math> || <math>AB</math> plus <math>A</math> ||  <math>AB</math> plus <math>A</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>A + \overline{B}</math> || <math>(A + B)</math> plus <math>A</math> ||  <math>(A+ B)</math> plus <math>A</math> plus <math>1</math>
|-
| H || H || H ||style="border-right: 2px solid | L || <math>A B</math> || <math>A \overline{B}</math> plus <math>A</math> ||  <math>A \overline{B}</math> plus <math>A</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>A + B</math> || <math>(A + \overline{B})</math> plus <math>A</math> ||  <math>(A + \overline{B})</math> plus <math>A</math> plus <math>1</math>
|-
| H || H || H ||style="border-right: 2px solid | H || <math>A</math> ||<math>A</math> ||<math>A</math> plus <math>1</math>
|style="border-left: 2px solid | <math>A</math> ||<math>A</math> minus <math>1</math> ||<math>A</math>
|}

== Historische Einordnung und Bedeutung ==
[[Datei:Data General Nova 1200 CPU.agr.jpg|hochkant=1.5|mini|CPU der Data General Nova 1200, 74181 rechts in der Mitte]]
Frühe Computer wie der [[Eniac]] oder die [[IBM 704]] verwendeten [[Elektronenröhre]]n. Der Übergang zu einzelnen [[Transistor]]en wie bei der [[IBM 7090]] oder der [[PDP-1]] ermöglichte eine deutlich höhere Zuverlässigkeit und einen geringeren Stromverbrauch. Das Aufkommen von [[Integrierte Schaltung|integrierten Schaltungen]] ermöglichte eine weitere Reduktion von Baugrößen und Kosten.

Eines der komplexesten Teile der damaligen Computer war die ALU. Um dort Kosten zu sparen, wurde beispielsweise bei der [[PDP-8|PDP-8/S]] eine ALU mit einer Breite von einem Bit verwendet.<ref>{{Internetquelle |url=http://computermuseum.informatik.uni-stuttgart.de/dev/pdp8s/pdp8s.html |titel=Computermuseum der Stuttgarter Informatik: PDP 8/S |archiv-url=https://web.archive.org/web/20070830093720/http://computermuseum.informatik.uni-stuttgart.de/dev/pdp8s/pdp8s.html |archiv-datum=2007-08-30 |abruf=2022-12-10}}</ref>

Die 74181 stellte hierbei einen Meilenstein dar: Sie war der erste integrierte Schaltkreis, der eine ALU auf einem Baustein implementierte.<ref>Daniel P. Siewiorek, C. Gordon Bell, Allen Newell: [http://archive.computerhistory.org/resources/text/bell_gordon/bell.computer_structures_principles_and_examples.1982.102630397.pdf ''Computer Structures:Principles and Examples.''] S.&nbsp;63</ref> Dies vereinfachte den Entwurf und Bau von Computern erheblich und sparte daher auch Kosten.

Zahlreiche Minicomputer verwendeten daher eine oder mehrere 74181 als Arithmetik-Einheit. Zuerst wurde der Chip bei der [[Data General Nova|Nova]] von [[Data General]] im Jahr 1970 eingesetzt.<ref name="apollo181">{{Internetquelle |url=https://apollo181.wixsite.com/apollo181/about |titel=The 74181 Arithmetic and Logic Unit Integrated Circuit |archiv-url=https://web.archive.org/web/20181007001841/http://apollo181.wixsite.com/apollo181/about |archiv-datum=2018-10-07 |abruf=2022-12-10}}</ref> Weitere Computer, bei denen sie Verwendung fand, waren verschiedene Modelle der [[PDP-11]]<ref>{{Literatur |Autor=[[Gordon Bell (Ingenieur)|C. Gordon Bell]], J. Craig Mudge, John E. McNamara |Titel=Computer Engineering: A DEC View of Hardware Systems Design |Verlag=Digital Press |Datum=1979-08 |ISBN=0-932376-00-2 |Seiten=335, 336 |Online=[https://books.google.com/books?id=SDOoBQAAQBAJ&q=%2274181%22+%22pdp-11%22&pg=PA334 Google Books]}}</ref> und der [[Virtual Address eXtension|VAX11/780]] von [[Digital Equipment]] sowie die [[Xerox Alto]].<ref>{{Internetquelle |url=https://www.heise.de/ix/meldung/Desktop-Pionier-Einblick-in-den-Source-Code-des-Xerox-Alto-2429865.html |titel=Desktop-Pionier: Einblick in den Source-Code des Xerox Alto |archiv-url=https://web.archive.org/web/20161005035135/https://www.heise.de/ix/meldung/Desktop-Pionier-Einblick-in-den-Source-Code-des-Xerox-Alto-2429865.html |archiv-datum=2016-10-05 |abruf=2022-12-10}}</ref>

Mit zunehmender Integrationsdichte wurden Bit-Slice-Bausteine wie der 74181 von größeren Einheiten oder ganzen CPUs auf einem Baustein abgelöst.

== Weblinks ==
* Ken Shirrif: [http://www.righto.com/2017/03/inside-vintage-74181-alu-chip-how-it.html Inside the vintage 74181 ALU chip: how it works and why it's so strange]. Abgerufen am 2022-06-25.
* Ken Shirrif: [http://www.righto.com/2017/01/die-photos-and-reverse-engineering.html Inside the 74181 ALU chip: die photos and reverse engineering]. Abgerufen am 2022-06-25.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Integrierter Schaltkreis]]
[[Kategorie:Computerarithmetik]]