计算机组成原理2.3运算器.ppt

综合考虑各类定点运算算法后，发现：综合考虑各类定点运算算法后，发现： u u 所有运算都可通过所有运算都可通过“加加”和和“移位移位”操作实现操作实现 以一个或多个ALU（或加法器）为核心，加上移位器和存放中间临时 结果的若干寄存器，在相应控制逻辑的控制下，可以实现各种运算。 运算部件通常指运算部件通常指ALUALU、移位器、寄存器组，加上用于数据选、移位器、寄存器组，加上用于数据选 择的多路选择器和实现数据传送的总线等构成的一个运算数择的多路选择器和实现数据传送的总线等构成的一个运算数 据通路。据通路。 u 可用专门运算器芯片实现（如：4位运算器芯片AM2901） u 可用若干芯片级联实现（如4个AM2901构成16位运算器） u 现代计算机把运算数据通路和控制器都做在CPU中，为实现高级流水 线，CPU中有多个运算部件，通常称为“功能部件”或“执行部件” 。 2.3 2.3 定点运算器的组成定点运算器的组成 一、运算器的基本组成一、运算器的基本组成 ALUALU 标标 志志 寄寄 存存 器器 移位逻辑移位逻辑 锁存器锁存器AA锁存器锁存器BB 寄存器组 内内 部部 总总 线线 2 2、通用寄存器组通用寄存器组 寄存器是计算机中存取速度最快的存储器件寄存器是计算机中存取速度最快的存储器件 暂存参加运算的数据和中间结果暂存参加运算的数据和中间结果 可以被汇编程序直接访问和使用可以被汇编程序直接访问和使用 能够左右移位的乘商寄存器能够左右移位的乘商寄存器 3 3、标志寄存器（标志寄存器（PSWPSW） 用于保存用于保存ALUALU运算结果的状态信息。运算结果的状态信息。 S S 符号标志位：符号标志位：S S为为1 1时表示运算结果为负；时表示运算结果为负； V V 溢出标志位：溢出标志位：V V为为1 1时表示运算结果溢出；时表示运算结果溢出； Z Z 零标志位：零标志位： Z Z为为1 1时表示运算结果零；时表示运算结果零； C C 进位标志位：进位标志位：C C为为1 1时表示运算结果有进位。时表示运算结果有进位。 4 4、移位及数据选择器移位及数据选择器 对参加运算的数据，执行某种运算以对参加运算的数据，执行某种运算以 及将运算结果送往何处进行控制。及将运算结果送往何处进行控制。 5 5、数据的传送通路数据的传送通路 以总线结构为主的数据通路以总线结构为主的数据通路 单总线结构的运算器单总线结构的运算器 双总线结构的运算器双总线结构的运算器 三总线结构的运算器三总线结构的运算器 二、定点运算器举例二、定点运算器举例 TH-UnionTH-Union教学计算机简介教学计算机简介 字长字长1616位，用位，用4 4片四位的片四位的位片结构位片结构运算运算 器芯片器芯片Am2901Am2901组成。组成。 位片结构位片结构：将位数较少、功能完整、独立：将位数较少、功能完整、独立 封装的大规模集成电路经多片拼接构成较封装的大规模集成电路经多片拼接构成较 长位数的运算器。长位数的运算器。 二选一 B 16个 A 通用寄存器 三选一二选一 三选一 三选一 A L U S R B锁存器A锁存器乘商寄存器Q Cn /OE Q3Q0 RAM0 RAM3 F 输出Y F3 F=0000 OVR Cn+4 输入D A口地址 B口地址 1 1、4 4位的位的Am2901Am2901 内部组成与功能内部组成与功能 组成 1）算逻运算部件 2）16个寄存器 3）乘商寄存器Q 4）5组多路选择器 功能 8 种运算功能 8 种数据组合 8 种结果处理 A L U S R Cn F F3 OVR F=0000 Cn+4 第一个组成部分第一个组成部分是 算逻运算部件ALU， 完成3种算术运算 和5种逻辑运算，共 8种运算功能。 R+S SR RS RS 或 RS 与 RS RS 异或 RS 8 8种运算功能种运算功能 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 I5 I4 I3 第二个组成部分第二个组成部分是 通用寄存器组由16 个寄存器（R0 R15）构成，并通 过B口与A口地址选 择被读的寄存器， B口地址还用于指 定写入寄存器。 R0R0R3R3、R8R8R15R15为通用寄存器为通用寄存器 R4R4为为SPSP、R5R5为为PCPC A L U S R Cn F F3 OVR F=0000 Cn+4 B A 通用寄存器 B锁存器A锁存器 A口地址 B口地址 （写入） 第三个组成部分第三个组成部分 是乘商寄存器Q 它能对自己的内 容完成左右移位 功能，其输出可 以送往ALU，并 可接收ALU的输 出结果。 Q寄存器 A L U S R Cn F F3 OVR F=0000 Cn+4 B A 通用寄存器 B锁存器A锁存器 A口地址 B口地址 （写入） 该芯片的第四个 组成部分是5 组 多路选通门,包括 三选一二选一 输入D一组三选一门和 另一组二选一门 用来选择送向ALU 的R、S输入端的 数据来源，包括 ：Q寄存器、A口 、 B口数据、外 部输入D数据共8 种不同组合。 A L U S R Cn F F3 OVR F=0000 Cn+4 Q寄存器 B A 通用寄存器 B锁存器A锁存器 A口地址 B口地址 （写入） 三选一二选一 输入D 一组三选一门和 另一组二选一门 用来选择送向ALU 的R、S输入端的 数据来源，包括 ：Q寄存器、A口 、 B口数据、外 部输入D数据共8 种不同组合。 A L U S R Cn F F3 OVR F=0000 Cn+4 Q寄存器 B A 通用寄存器 B锁存器A锁存器 A口地址 B口地址 （写入） 8种数据组合(R,S) AQ AB 0Q 0B 0A DA DQ D0 3位数据选择码000 001 010 011 100 101 110 111 B 16个 A 通用寄存器 三选一二选一 三选一 三选一 A L U S R B锁存器A锁存器Q寄存器 Cn Q3Q0 RAM0 RAM3 F F3 F=0000 OVR Cn+4 输入D A口地址 B口地址 一组三选一门完成把 ALU的输出、或左移 一位、或右移一位的 值送往通用寄存器组 ，最高、最低位移位 信号有双向入/出问 题 一组三选一门完成Q 寄存器的左移一位、 或右移一位、或接收 ALU输出值的功能， 最高、最低位移位信 号有双向入/出问题 。 二选一/OE F 输出Y 一组二选一门 ， 选择把ALU结果 或A口数据送出 芯片，给出输 出Y的数据，Y 输出的有无还 受使能信号控 制，仅当/OE为 低才有Y输出， /OE为高Y输出 为高阻态。 B 16个 A 通用寄存器 三选一二选一 三选一 三选一 A L U S R B锁存器A锁存器Q寄存器 Cn Q3Q0 RAM0 RAM3 F3 F=0000 OVR Cn+4 输入D A口地址 B口地址 运算结果的8 种处理 3位控制码 通用寄存器 Q寄存器 Y输出 000 QF F 001 F 010 BF A 011 BF F 100 BF/2 QQ/2 F 101 BF/2 F 110 B2F Q2Q F 111 B2F F B 16个 A 通用寄存器 B锁存器A锁存器 A口地址 B口地址 二选一 三选一二选一 三选一 三选一 Q3Q0 RAM0 RAM3 A L U S R Cn F F3 F=0000 OVR Cn+4 运算器，三大件 运算暂存乘除快 多路选通连起来 数据组合选择 I2 I1 I0 运算功能选择 I5 I4 I3 运算结果处理 I8 I7 I6 运算 暂存 乘除快 数据组合有内外 运算功能指明白 存移输出巧安排 多路选通连起来 存移输出巧安排存移输出巧安排存移输出巧安排 Q寄存器 输入D /OE 输出Y 二选一 ALU 二选一三选一 R0 R1 R 三选一 Q 三选一 n Cy F=0000 OVR F15 Y15Y0 D15D0 C in 数据输出数据输出 数据输入数据输入 乘商 通用寄存器 OE A B 定点运算器部件实例定点运算器部件实例 Am2901Am2901 状态输出状态输出 A口地址 B口地址 RAM15RAM0 Q15Q0 RS 控制信号控制信号 I2 I1 I0 I5 I4 I3 I8 I7 I6 选数据源选数据源选操作功能选操作功能选结果安排选结果安排 2.2.AM2901AM2901的时序关系的时序关系 运算器的时钟脉冲信号运算器的时钟脉冲信号 CPCP 教学计算机的主频教学计算机的主频:1.:1.33MHZ33MHZ Q Q 寄存器接收寄存器接收 和和低电平低电平的作用的作用 注意注意两个跳变沿两个跳变沿 A A、B B口锁存口锁存 通用寄存器接收通用寄存器接收 回存结果回存结果 ALUALU操作周期操作周期 高电平时高电平时I8-I0I8-I0稳定给出、稳定给出、 数据输入、且获得本次数据输入、且获得本次 运算结果。运算结果。 3.Am29013.Am2901的操作与控制的操作与控制（数据来源数据来源、操作功能操作功能与与结果处理结果处理） 操作功能 控制信号 B口 A口 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 Cn R0R0+R1 R2R2R0 QR0 右移 R0R0+R1 R5R5+1 Y A口 Y F 000001100010000010 001000000111000010 000010100010000010 00000000001000 / 0000 010101001010000111 R0R0-R1Y F000001100010010011 4. 外部入出信号及引脚 Y3Y0 D3D0 RAM3 Q3 RAM0 Q0 CPOE Cin Cy F=0 Over F3Am2901 A3A0 B3B0I8I6 I5I3 I2I0 4个状态 标志位 输出 9位控制 操作码 外部数据 输入 BACK 0,1,RAM0 Q0,RAM15 16位的 运算器 16 位机的运算器的完整组成 四位标志位 GAL1 右移输入信号 GAL3 SST 左移输入信号 GAL3 最低位进位 GAL3 C Z V S Cy F=0 OVR F15 来自内部总线 IB SSH SSH SCi运算功能码 右移控制左移控制 RAM15 Q15 RAM0 Q0 0 C Q15 /F15 0 C Cy RAM0 0 1 C /C 方波 Y150 D150B口 A口 I8I0 Cin BACK 16 位运算器的操作使用 操作功能 控制信号 B口 A口 SST I86 I53 I20 SH SCi R0 R0+R1 R2 R21 Q R0 右移 R0 R0+R1 R0QR0R3Q Y F 000001100010000010 0010/0110010110 00001010001000001 0000000000 100 / 000011000110010011 R5R5+1YR5 010101001010000110 00 00 001 001 001 000 001 001 00 01 逻辑右移 与C循环右移 0 1 10 00 01 联合左移 8种数据组合(R,S) AQ AB 0Q 0B 0A DA DQ D0 000 001 010 011 100 101 110 111 三选一二选一 输入D A L U S R Cn F F3 OVR F=0000 Cn+4 Q寄存器 B A 通用寄存器 B锁存器A锁存器 A口地址 B口地址 （写入） R+S SR RS RS RS RS RS RS 8 8种运算功能种运算功能 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 I5 I4 I3 3位控制码 通用寄存器 Q寄存器 Y输出 000 QF F 001 F 010 BF A 011 BF F 100 BF/2 QQ/2 F 101 BF/2 F 110 B2F Q2Q F 111 B2F F 1.1.先行进位先行进位ALUALU 先行进位ALU 芯片（SN74181） u 四位ALU芯片，中规模集成电路。在先行进位加法器基础上附加部 分线路，具有基本的算术运算和逻辑运算功能。 u SN74181的逻辑图和功能表 u SN74182是4位BCLA (成组先行进位)芯片。 多芯片级联构成先行进位ALU u 1个SN74181芯片直接构成一个4位全先行进位ALU u 4个SN74181芯片串行构成一个16位单级先行进位ALU u 4个SN74181芯片与1个SN74182芯片可构成16位两级先行进位ALU u 16个SN74181芯片与5个SN74182芯片可构成64位先行进位ALU SKIP ALU中的“加”运算电路相当于n档二进制加法算盘。 所有其他运算都以ALU 中“加”运算为基础！ SN74181SN74181的引脚的引脚 输入端：Ai和Bi分别为第1和2操作数，Cn为低位进位，M为功能选择线，Si为操作选 择线，共4位，故最多有16种运算。 输出端：Fi为运算结果，Cn+4、P和G为进位，“A=B”为相等标志 P 输入端 输出端 SN74181SN74181逻辑电路图逻辑电路图