74181

74181は、 7400シリーズ TTL 集積回路として実装された 4ビットスライス算術論理ユニット（ALU）です。1970年2月にテキサス・インスツルメンツ社によって発表され、 ^[1]単一チップ上に完全なALUを搭載した最初の製品でした。^[2]歴史的に重要な多くのミニコンピュータやその他のデバイスの CPUの算術論理コアとして使用されました。

74181は、1960年代の個別論理ゲートを用いて構築されたCPUと、 1970年代のシングルチップ・マイクロプロセッサとの間の進化の過程を象徴するものです。現在では商用製品には使用されていませんが、74181は後に実践的なコンピュータアーキテクチャの講義で使用され、現在でも教科書や技術論文で引用されています。

仕様

74181は7400シリーズの中規模集積回路（MSI） TTL 集積回路で、75個の論理ゲート^[3]に相当する機能を持ち、最も一般的には24ピンDIPとしてパッケージ化されています。4ビット幅のALUは、キャリーの有無にかかわらず、従来のすべての加算/減算/減算演算を実行できるほか、AND /NAND、OR /NOR、XOR、シフトも実行できます。これらの基本機能には多くのバリエーションがあり、2つの4ビットワードで合計16の算術演算と16の論理演算を実行できます。乗算と除算の機能は提供されていませんが、シフトと加算または減算機能を使用して複数のステップで実行できます。

シフトは明示的な関数ではありませんが、いくつかの利用可能な関数から派生させることができます。例えば、キャリー（M=0）付きの関数「A plus A」を選択すると、A入力は算術的に左シフトされます。右シフトはサポートされていません。

74181は、2つの4ビットオペランドを演算し、キャリー付きの4ビット結果を生成するのに22ナノ秒（45MHz）かかります。74S181は同じ演算を11ナノ秒（90MHz）で実行し、74F181は7ナノ秒（143MHz）（標準値）で実行します。

複数のスライスを組み合わせることで、任意の大きなワードサイズを実現できます。例えば、74S181を16個と74S182のルックアヘッドキャリージェネレータを5個組み合わせると、64ビットのオペランドに対して同じ演算を28ナノ秒（36MHz）で実行できます。今日のマルチギガヘルツ64ビットマイクロプロセッサの性能には及ばないものの、初期の8ビットマイクロプロセッサのメガヘルツクロック速度と比較すると、これは非常に印象的な性能でした。

実装された機能

74181は、2つの変数を用いて16通りの論理関数をすべて実現します。算術演算機能には、キャリー付きとキャリーなしの加算と減算が含まれます。アクティブハイデータ（論理レベルが1に対応）とアクティブローデータ（論理レベルが1に対応）の両方で使用できます。 ^[4]

入力と出力

機能を選択するための4つの選択入力（S0から）があります。は論理演算と算術演算の選択に使用され、はキャリー入力です。とは処理対象のデータ（4ビット）です。は数値出力です。また、1つまたは複数の74182チップを使用して実装できるキャリールックアヘッド加算器用の信号と信号もあります。S3MCnABFPG

出力Fの機能表

次の表では、ANDは積として、OR は符号付き、XORは、論理NOT は上線付き、算術プラスとマイナスは plus と minus という単語を使用して表されます。 $+$ $\oplus$

選択				アクティブローデータ			アクティブハイデータ
				論理M = H	算術M = L		論理M = H	算術M = L
S3	シーズン2	S1	S0		Cn = L (キャリーなし)	Cn = H（キャリー）		Cn = H (繰り上がりなし)	Cn = L（キャリー）
L	L	L	L	${\overline {A}}$	$A$ マイナス $1$	${A}$	${\overline {A}}$	$A$	$A$ プラス1
L	L	L	H	${\overline {AB}}$	$AB$ マイナス $1$	${AB}$	${\overline {A+B}}$	$A+B$	${(A+B)}$ プラス $1$
L	L	H	L	${\overline {A}}+B$	$A{\overline {B}}$ マイナス $1$	$A{\overline {B}}$	${\overline {A}}B$	$A+{\overline {B}}$	$(A+{\overline {B}})$ プラス1
L	L	H	H	論理1	$-1$ （2の補数）	$0$ （ゼロ）	論理0	$-1$ （2の補数）	$0$ （ゼロ）
L	H	L	L	${\overline {A+B}}$	$A$ プラス $(A+{\overline {B}})$	$A$ プラスプラス $(A+{\overline {B}})$ $1$	${\overline {AB}}$	$A$ プラス $A{\overline {B}}$	$A$ プラスプラス $(A{\overline {B}})$ $1$
L	H	L	H	${\overline {B}}$	$AB$ プラス $(A+{\overline {B}})$	$AB$ プラスプラス $(A+{\overline {B}})$ $1$	${\overline {B}}$	$(A+B)$ プラス $A{\overline {B}}$	$(A+B)$ プラスプラス $A{\overline {B}}$ $1$
L	H	H	L	${\overline {A\oplus B}}$	$A$ マイナスマイナス $B$ $1$	$A$ マイナス $B$	$A\oplus B$	$A$ マイナスマイナス $B$ $1$	$A$ マイナス $B$
L	H	H	H	$A+{\overline {B}}$	$A+{\overline {B}}$	$A+{\overline {B}}$ プラス $1$	$A{\overline {B}}$	$A{\overline {B}}$ マイナス1	$A{\overline {B}}$
H	L	L	L	${\overline {A}}B$	$A$ プラス $(A+B)$	$A$ プラスプラス $(A+B)$ $1$	${\overline {A}}+B$	$A$ プラス $AB$	$A$ プラスプラス $AB$ $1$
H	L	L	H	$A\oplus B$	$A$ プラス $B$	$A$ プラスプラス $B$ $1$	${\overline {A\oplus B}}$	$A$ プラス $B$	$A$ プラスプラス $B$ $1$
H	L	H	L	$B$	$A{\overline {B}}$ プラス $(A+B)$	$A{\overline {B}}$ プラスプラス $(A+B)$ $1$	$B$	$(A+{\overline {B}})$ プラス $AB$	$(A+{\overline {B}})$ プラスプラス $AB$ $1$
H	L	H	H	$A+B$	$A+B$	$(A+B)$ プラス $1$	$AB$	$AB$ マイナス1	$AB$
H	H	L	L	論理0	$A$ プラス $A$	$A$ プラスプラス $A$ $1$	論理1	$A$ プラス $A$	$A$ プラスプラス $A$ $1$
H	H	L	H	$A{\overline {B}}$	$AB$ プラス $A$	$AB$ プラスプラス $A$ $1$	$A+{\overline {B}}$	$(A+B)$ プラス $A$	$(A+B)$ プラスプラス $A$ $1$
H	H	H	L	$AB$	$A{\overline {B}}$ プラス $A$	$A{\overline {B}}$ プラスプラス $A$ $1$	$A+B$	$(A+{\overline {B}})$ プラス $A$	$(A+{\overline {B}})$ プラスプラス $A$ $1$
H	H	H	H	$A$	$A$	$A$ プラス $1$	$A$	$A$ マイナス $1$	$A$

意義

74181は、1970年代から1980年代初頭にかけて、高速計算を必要とするコンピュータやその他のデバイスの開発と製造を大幅に簡素化し、現在でも「古典的な」ALU設計として参照されています。^[5]

74181 の導入以前は、コンピュータの CPU は複数の回路基板を占有し、非常に単純なコンピュータでさえ複数のキャビネットを占めることがありました。74181 により、CPU 全体、場合によってはコンピュータ全体を 1 枚の大型プリント基板上に構築できるようになりました。74181 は、複数の回路基板に分散した個別のロジック機能に基づく古いCPUと、すべての CPU 機能を 1 つのチップに組み込んだ現代のマイクロプロセッサとの間の、歴史的に重要な段階を占めています。74181 は 1970 年代からさまざまなミニコンピュータやその他のデバイスに使用されていましたが、マイクロプロセッサがより強力になるにつれて、個別のコンポーネントから CPU を構築する方法は好まれなくなり、74181 は新しい設計には使用されなくなりました。

教育

1994年までに、74181をベースにしたCPU設計は、マイクロプロセッサの比較的低価格と高性能のために商業的に実現可能ではなくなったが、実践的な設計と実験の機会を提供したため、コンピュータの構成とCPU設計の教育には依然として有用であった。 ^[6]

Journal of Modern Engineering、第 7 巻、第 2 号、2007 年春号に掲載された「Digital Electronics with VHDL (Quartus II Version)」のレビュー。
アーキテクチャ探索のための最小限の TTL プロセッサ。74181 を使用して CPU アーキテクチャを教える方法について説明した論文。
2003 年に小規模大学のコンピュータ構成コースのハードウェアラボでは、ラボクラスで 74LS181 が使用されました。
74181 + 74182 デモ Java ベースのシミュレータ
APOLLO181 (Gianluca.G 作、イタリア 2012): Bugbook I および II チップ (特に 74181) をベースにした、TTL ロジックとバイポーラメモリで構成された自家製の教育用プロセッサ。
ロジックとメモリを使用してコンピュータを構築します。マイクロプロセッサが登場する前の 74181 ALU の歴史と教育的使用を紹介するビデオです。
物理シミュレータでエミュレートされた74181のプレイ可能なデモ
74181+74182 PDIPおよびCERDIPパッケージは現在も製造されており、ブレッドボード用に入手可能である。^[7]

コンピューター

多くのコンピュータ CPU とサブシステムは 74181 をベースにしており、歴史的に重要なモデルもいくつか含まれています。

NOVA –データジェネラル社が製造した、初めて広く普及した16ビットミニコンピュータ。NOVA 1200は、1970年に74181を搭載した最初の商用ミニコンピュータでした。^[8]
PDP-11のいくつかのモデル^[9] - 史上最も人気のあるミニコンピュータ^{[10]。Digital}Equipment Corporationによって製造。
Xerox Alto –デスクトップメタファーとグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を採用した最初のコンピュータ。 ^[11]^[12]
VAX-11/780 – 最初のVAX。1980年代に最も人気のある32ビットコンピュータ^[10]。Digital Equipment Corp. ^{[13]が製造。}
Three Rivers PERQ – Xerox Altoの影響を受け、1979年に初めてリリースされた商用コンピュータワークステーション。^[14]
コンピュータオートメーションネイキッドミニLSI-2 – LSIはマーケティングのフックとして悪用されている。LSIプロセッサではなく、74181を4つ搭載していた。^[15]
KMC11 – Digital Equipment Corporation PDP-11用周辺プロセッサ。^[16]
FPP-12 – Digital Equipment Corporation PDP-12用の浮動小数点ユニット。^[17]
Wang 2200 CPU（CPUあたり74181 1個）^[18]およびディスクコントローラ（コントローラあたり74181 2個）^[19]
TI-990 – Texas Instrumentsの 16 ビットミニコンピュータシリーズ。
Honeywell オプション 1100 – Honeywell H200/H2000 シリーズメインフレームのいわゆる「科学ユニット」オプション。
Datapoint 2200バージョンIIは2つの74181 ^{[20]を使用しました。これは、}Intel 8008のアーキテクチャを定義したコンピュータの後継機であるDatapoint 5500、6600、1800/3800でも同様です。
コガーシステム4 /シンガー1501 / ICL1501インテリジェントターミナル^[21]
Varian Data Machines – 16ビットミニコンピュータのV70シリーズ
HP 2100シリーズ – シリーズのモデルの約半数で 4 つの 74181 が使用されました。
ニューイングランドデジタル社の16ビットミニコンピュータABLEは、シンクラヴィアシンセサイザーのプロセッサとして使用され、これらのALUチップを4つ使用していました。^[22]

その他の用途

Vectorbeam – CinematronicsがSpace Wars、Starhawk、Warrior、Star Castleなどのさまざまなアーケードゲームに使用しているアーケードゲームプラットフォームは、12ビットプロセッサに3つの25LS181チップを使用しています。^[23]

参照

参考文献

^ ヘルトゲン、ステファン編。（2017年）。 Logik, Informationstheorie [論理、情報理論] (ドイツ語)。デ・グルイテル。 p. 115.ISBN 9783110477504– Google ブックス経由。
^ Daniel P. Sieworek、C. Gordon Bell、Allen Newell。「第6章構造」。『コンピュータの構造：原理と例』（PDF） p. 63。最も初期かつ最も有名なチップである74181算術論理ユニット（ALU）は、2つの4ビット変数を用いて最大32個の関数を提供した。
^ Murdocca, Miles; Gerasoulis, Apostolos; Levy, Saul (1991年10月1日). 「再構成可能な相互接続を利用した新しい光コンピュータアーキテクチャ（レポート）」p. 23. 74181の論理図…63個の論理ゲートがあります。
^ 「SN54LS181、SN54S181、SN74LS181、SN 74S181 算術論理ユニット／ファンクションジェネレータ」（PDF）テキサス・インスツルメンツ、1988年3月。
^ Kestrel: 8ビットSIMD並列プロセッサの設計(PDF) . Proc. 17th Conf. on Advanced Research in VLSI. 1997年9月15～17日. p. 11.
^ Bradford J. Rodriguez. アーキテクチャ探究のための最小TTLプロセッサ. Proceedings of the 1994 ACM Symposium on Applied Computing. コンピュータアーキテクチャの研究は、抽象的な論文演習に終わることが多い。学生はシングルチップマイクロプロセッサの内部動作を詳しく調べることはできず、離散論理マシンを学生が自由に調べられる機会はほとんどない。
^ 「74181 価格と在庫 | DigiPart」.
^ 「商用ミニコンピュータにおける74181の歴史」。2019年11月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ C. Gordon Bell、J. Craig Mudge、John E. McNamara（1979年8月）。『コンピュータエンジニアリング：DECの視点から見たハードウェアシステム設計』Digital Press、335、336ページ。ISBN 0-932376-00-2。
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^ 「Wang 2200 マイクロアーキテクチャの説明」。
^ 「Wang 2200 ディスクチャネルの説明」。
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^ スターキャッスルの運用とメンテナンス。シネマトロニクス社。1980年。

外部リンク

メーカーのデータシート:

テキサス・インスツルメンツ（および74182先読みキャリージェネレータ）
シグネティクス
フィリップス
フェアチャイルド。

チップの仕組みの説明

ビンテージ74181 ALUチップの内部：その仕組みと奇妙な点
74181 ALUチップ内部：ダイ写真とリバースエンジニアリングでフロアプランとゲートの一部のトランジスタレイアウトを表示

[1] ヘルトゲン、ステファン編。（2017年）。 Logik, Informationstheorie [論理、情報理論] (ドイツ語)。デ・グルイテル。 p. 115.ISBN 9783110477504– Google ブックス経由。

[2] Daniel P. Sieworek、C. Gordon Bell、Allen Newell。「第6章構造」。『コンピュータの構造：原理と例』（PDF） p. 63。最も初期かつ最も有名なチップである74181算術論理ユニット（ALU）は、2つの4ビット変数を用いて最大32個の関数を提供した。

[3] Murdocca, Miles; Gerasoulis, Apostolos; Levy, Saul (1991年10月1日). 「再構成可能な相互接続を利用した新しい光コンピュータアーキテクチャ（レポート）」p. 23. 74181の論理図…63個の論理ゲートがあります。

[4] 「SN54LS181、SN54S181、SN74LS181、SN 74S181 算術論理ユニット／ファンクションジェネレータ」（PDF）テキサス・インスツルメンツ、1988年3月。

[5] Kestrel: 8ビットSIMD並列プロセッサの設計(PDF) . Proc. 17th Conf. on Advanced Research in VLSI. 1997年9月15～17日. p. 11.

[6] Bradford J. Rodriguez. アーキテクチャ探究のための最小TTLプロセッサ. Proceedings of the 1994 ACM Symposium on Applied Computing. コンピュータアーキテクチャの研究は、抽象的な論文演習に終わることが多い。学生はシングルチップマイクロプロセッサの内部動作を詳しく調べることはできず、離散論理マシンを学生が自由に調べられる機会はほとんどない。

[7] 「74181 価格と在庫 | DigiPart」.

[8] 「商用ミニコンピュータにおける74181の歴史」。2019年11月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[9] C. Gordon Bell、J. Craig Mudge、John E. McNamara（1979年8月）。『コンピュータエンジニアリング：DECの視点から見たハードウェアシステム設計』Digital Press、335、336ページ。ISBN 0-932376-00-2。

[acmqueue.org-10] Bob Supnik (2004年8月31日). 「シミュレータ：過去（そして未来）の仮想マシン」. ACM Queue . 2 (5).

[11] 「ゼロックス『スター』コンピュータの最終デモンストレーション」。コンピュータ歴史博物館。2007年11月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年10月28日閲覧。

[12] Del Rosso, Tom (1994年10月～12月). 「ICコーナー：Xerox Altoの初期IC ALU」（PDF） .解析エンジン. 2 (2). カリフォルニアコンピュータ歴史協会: 17.

[13] 「VAX-11/780、Digital Computing Timeline、1977」。Digital Information Research Services、Microsoft Research (research.microsoft.com) 経由。1998年4月30日。 2007年11月2日閲覧。

[14] Duell, Tony (1995年5月). 「More On The Peripatetic 74x181」(PDF) . The Analytical Engine . 2 (3). Computer History Association of California: 27.

[15] 「75-53506 LSI-2 CPUの回路図」（PDF） . Bitsavers . Computer Automation . 2025年6月25日閲覧。

[16] “初期のPDP-11周辺機器”. 2011年7月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年10月28日閲覧。

[17] FPP12A浮動小数点プロセッサユーザーズマニュアル(PDF) . Digital Equipment Corporation. 1973年12月. p. 5-24. DEC-12-HFPPA-AD.

[18] 「Wang 2200 マイクロアーキテクチャの説明」。

[19] 「Wang 2200 ディスクチャネルの説明」。

[20] Datapoint 2200 バージョン I および II 図面パッケージ(PDF) p. 36。

[21] “ICL 1501 Intelligent Terminal”. Allard's Computer Museum Groningen . 2015年4月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年4月23日閲覧。

[22] 「1982 Synclavier II HxC Retrofit!」Vintage Synth Explorer . 2025年9月8日閲覧。

[23] スターキャッスルの運用とメンテナンス。シネマトロニクス社。1980年。