74181

Die 74181 ist eine 4-Bit-Arithmetisch-logische Einheit (ALU) auf einem integrierten Schaltkreis aus der 74xx-Serie, die erste ALU auf einem Chip. Die Einführung erfolgte 1970 durch Texas Instruments und machte den Bau von Minicomputern einfacher und billiger. Der Chip wurde als Bit-Slice-Baustein eingesetzt und findet sich in zahlreichen historischen Minicomputern.^[1]

Eine 74S181 4-bit ALU vor einer Seite des Datenblatts

Funktion

Schaltnetz der 74181. Im Vergleich zu den XOR-Gates in der Dokumentation von Texas Instruments^[2] 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 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.^[2] Alternativ können mehrere 74181 auch durch Verschalten des Ausgangs ${\displaystyle C_{n+4}}$ mit dem Eingang ${\displaystyle C_{n}}$ 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 ${\displaystyle A_{0}}$ bis ${\displaystyle A_{3}}$ und ${\displaystyle B_{0}}$ bis ${\displaystyle B_{3}}$, vier Eingänge für die Auswahl der Operation ${\displaystyle S_{0}}$ bis ${\displaystyle S_{3}}$, einen Eingang ${\displaystyle M}$ für die Auswahl, ob logische oder arithmetische Operationen durchgeführt werden, und ein Eingangssignal für den Übertrag ${\displaystyle C_{n}}$. Die acht Ausgänge sind die vier Ergebnisse ${\displaystyle F_{0}}$ bis ${\displaystyle F_{3}}$, der entstehende Übertrag ${\displaystyle C_{n+4}}$, die Ausgänge ${\displaystyle P}$ für propagate und ${\displaystyle G}$ für das propagate- und generate-Signal des carry-lookahead-Addiers sowie ein Ausgang ${\displaystyle A=B}$, 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 ${\displaystyle +}$. 'L' steht für den niedrigen Spannungspegel, 'H' für den hohen.

Auswahl				Active-low data			Active-high data
				Logik ${\displaystyle M=H}$	Arithmetisch ${\displaystyle M=L}$		Logik ${\displaystyle M=H}$	Arithmetisch ${\displaystyle M=L}$
${\displaystyle S_{3}}$	${\displaystyle S_{2}}$	${\displaystyle S_{1}}$	${\displaystyle S_{0}}$		${\displaystyle C_{n}=L}$ Kein Übertrag	${\displaystyle C_{n}=H}$ Übertrag		${\displaystyle C_{n}=L}$ Kein Übertrag	${\displaystyle C_{n}=H}$ Übertrag
L	L	L	L	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {A}}$	${\displaystyle {\overline {A}}}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	L	L	H	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle AB}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {AB}}$	${\displaystyle {\overline {A+B}}}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle {(A+B)}}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	L	H	L	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	L	H	H	Logical 1	${\displaystyle -1}$ (Zweierkomplement)	${\displaystyle 0}$ (zero)	Logical 0	${\displaystyle -1}$ (Zweierkomplement)	${\displaystyle 0}$ (zero)
L	H	L	L	${\displaystyle {\overline {A+B}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {AB}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	H	L	H	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle 1}$
L	H	H	L	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle B}$
L	H	H	H	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$
H	L	L	L	${\displaystyle {\overline {A}}B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A}}+B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	L	L	H	${\displaystyle A\oplus B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle {\overline {A\oplus B}}}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle B}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	L	H	L	${\displaystyle B}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle B}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle AB}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	L	H	H	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle AB}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle AB}$
H	H	L	L	Logical 0	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	Logical 1	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	H	L	H	${\displaystyle A{\overline {B}}}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle AB}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A+{\overline {B}}}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle (A+B)}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	H	H	L	${\displaystyle AB}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle A{\overline {B}}}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A+B}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle A}$	${\displaystyle (A+{\overline {B}})}$ plus ${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$
H	H	H	H	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ plus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$	${\displaystyle A}$ minus ${\displaystyle 1}$	${\displaystyle A}$

Historische Einordnung und Bedeutung

CPU der Data General Nova 1200, 74181 rechts in der Mitte

Frühe Computer wie der Eniac oder die IBM 704 verwendeten Elektronenröhren. Der Übergang zu einzelnen Transistoren wie bei der IBM 7090 oder der PDP-1 ermöglichte eine deutlich höhere Zuverlässigkeit und einen geringeren Stromverbrauch. Das Aufkommen von 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/S eine ALU mit einer Breite von einem Bit verwendet.^[3]

Die 74181 stellte hierbei einen Meilenstein dar: Sie war der erste integrierte Schaltkreis, der eine ALU auf einem Baustein implementierte.^[4] 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 Nova von Data General im Jahr 1970 eingesetzt.^[5] Weitere Computer, bei denen sie Verwendung fand, waren verschiedene Modelle der PDP-11^[6] und der VAX11/780 von Digital Equipment sowie die Xerox Alto.^[7]

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

Weblinks

• Ken Shirrif: Inside the vintage 74181 ALU chip: how it works and why it's so strange. Abgerufen am 2022-06-25.
• Ken Shirrif: Inside the 74181 ALU chip: die photos and reverse engineering. Abgerufen am 2022-06-25.