CPU-1运算部件(05级).ppt

第三章 CPU子系统,运算器,控制器,本章主要讨论：,运算器 控制器 数据通路结构 与外部的连接,指令的执行过程,CPU组成,CPU工作原理,3.1 CPU的基本组成,运算部件,寄存器组,微命令产生部件,时序系统,传统运算器,传统控制器,1. 运算部件,输出逻辑,ALU,输入逻辑,输入逻辑,操作数 操作数,运算结果,(1) 输入逻辑,(2) 算术逻辑运算部件ALU,(3) 输出逻辑,选择两个操作数，可以是选择器或暂存器,核心部件，完成具体运算。求和、进位传递,具有移位功能，通过斜位传送可实现左移、右移或字节交换,移位器,ALU,多路选择器,多路选择器,+1,PSW,R0,R1,R2,R3,IR,PC,MAR,MDR,MEMORY,R0R3,R0R3,C,D,PC,SP,C,D,MDR,PSW,R R,R M,M M,D,C,地址寄存器,数据寄存器,C，D暂存器,计算机的运算功能分为四种档次,1）普通微处理器：只设置一个ALU，软件实现乘除、浮点运算,2）高档微处理机：设置一个ALU，并且配合时序控制，硬件实现定点数乘除，浮点运算由软件（子程序）或硬件完成（浮点协处理器）,3）小、中型机：只设置一个ALU，且将定点乘除部件和浮点部件作为基本配置，硬件实现,4）大、巨型机：设置多种运算部件，如标量运算、浮点运算和向量运算,2.寄存器组,(1)通用寄存器组，具有2种以上功能,1)用于处理的寄存器,包括累加器、地址寄存器、计数器和移位器，设计时，只有发送和接收功能，其余操作靠辅助线路完成,移位器,ALU,多路选择器,多路选择器,+1,移位(左斜、右斜),计数器,累加器,寄存器,D触发器,SRAM寄存器组,（2）暂存器,暂存器不能被CPU直接编程访问，设置的目的是为了暂存某些中间过程所产生的信息，避免破坏通用寄存器的内容。,移位器,ALU,多路选择器,多路选择器,+1,PSW,R0,R1,R2,R3,IR,PC,MAR,MBR,MEMORY,R0R3,R0R3,C,D,PC,SP,C,D,MBR,PSW,R R,R M,M M,X=X+Y,MOV R0, Y,ADD X, R0,(MDR)+(R0) MDR,ADD X , Y,(C)+(MDR) MDR,有暂存器，如前页图,2）.用于控制的寄存器,（1）.IR(指令寄存器),存放现行指令，直至本条指令结束,（2）.PC(程序寄存器),（3）.PSW(程序状态字),存放下条指令的地址，提供读取指令的地址，控制执行指令序列的流向,存放前次运算结果状态,PSW,负 零 溢出 进位,状态位：C,V,Z,N,P,控制位：IF,TF,DF,跟踪（陷阱）TF，编程设定断点；,允许中断IF，编程设定，IF=1时允许响应外部终端请求,半进位AF、单步位TF、方向标志DF（地址由低到高，还是由高到低）,程序优先级,程序运行过程中，可能有外部中断请求，可以根据优先级来决定CPU执行哪一部分。,工作方式：用户态、管态,其它信息：不同计算机，PSW内容相差很大,如：IBM360的PSW包括系统屏蔽、保护键、AMWP字（工作方式）、中断码、指令长度、条件码、程序屏蔽、指令地址等。,3）.用作主存接口的寄存器（对用户透明）,（1）地址寄存器：MAR,（2）数据寄存器：MDR(双向),取指：PC内容 MAR,存取操作数：地址计算结果 MAR,写入：数据一般先送至MDR，再经总线送往主存,读出：,数据现有总线送入MDR，再经CPU内部总线,送入指定的寄存器,3.总线数据通路结构,总线：一组为多个部件分时共享的公共信息传送线路，可以分时接收（同时发送）和分配信息,1）CPU内部总线,ALU总线，连接寄存器与ALU（一条或多条）,可能还有地址总线,2)部件间总线,设备控制器、智能型接口等部件：微处理器 、LM（地址线，数据线）,3）系统总线,系统内各大组成部件间（如CPU、M、I/O)总线,地址总线： CPU、DMAC提供地址,数据总线：双向,控制总线：复位、请求、应答、读/写、,总线仲裁、控制权转移,4）系统外总线,一台计算机系统与其他设备、或几台计算机系统相连,总线实体：,狭义：指一组传送线,广义：包含一组传送线及相应的控制逻辑,DMA控制器,4.微操作命令产生部件,在CPU中设置微命令产生部件，根据控制信息产生微命令序列，对指令功能所要求的数据传送进行控制，且在数据传送至运算部件时控制完成运算处理。,6.CPU内部数据通路结构,1）单组内总线、分立寄存器结构,例：NOVA-1200,分立寄存器，一组单向,特点：,数据总线，以ALU为内部,数据传送通路的中枢,独立结构,小型存储 器结构,单口 双口,寄存器组,独立R、双口RAM用多路选择器作为ALU的输入逻辑， 单口RAM用锁存器作为ALU的输入逻辑。,带多路选择器的运算器,特点： R各自独立； 可同时向ALU提供两个操作数； 采用单向内总线。,例：要实现 R0 R1 ：(R0) ALU R1,2）单组内总线、集成寄存器结构,集成化寄存器组(SRAM)，一组双,特点：,例：要实现 R0 R1 ：(R0) 暂存器 R1,向数据总线，ALU输入端设暂存器,带输入锁存器的运算器,特点： 单口RAM不能同时向ALU提供两个操作数； 用锁存器暂存操作数； 采用双向内总线。,3）多组内总线,数据总线（ALU）：,连接ALU与寄存器组，双工数据收发器，系统数据总线,地址总线：,指令部件、ALU部件、段地址处理部件、页地址处理部件、地址驱动,指令总线：,收发器、指令队列、指令预译码、译码、控制ROM,内部控制总线：,控制ROM，控制ALU及各有关部件,位片式运算器,特点： 用双口RAM（两地址端、两数据端）作通用寄存器组，可同时提供数据； 用多路选择器作输入逻辑，不需暂存操作数； ALU增加乘、除功能，用乘商寄存器存放乘数、乘积或商。,例. 4位片运算器粗框,G，P小组进位产生、传递函数；Cn+4组间串行进位，Cn初始进位,第二节 运算方法,3.2.1.1 补码加减法,数用补码表示，符号位参加运算。,实际操作能否只取决于操作码？ 结果需不需修正？ 如何将减法转换为加法？,3.2.1 定点加减运算,1. 基本关系式,( X + Y )补 = X补 + Y补 （1） ( X - Y )补 = X补 + (-Y)补 （2）,式（1）：操作码为“加”时，两数直接相加。,3) X= 3 Y= 2,X补=0 0011 Y补=1 1110,0 0001,（+1补码）,2) X= 3 Y= 2,X补=1 1101 Y补=1 1110,1 1011,（5补码）,1) X=3 Y=2,X补=0 0011 Y补=0 0010,0 0101,（+5补码）,4) X= 3 Y= 2,X补=1 1101 Y补=0 0010,1 1111,（1补码）,例. 求(X+Y)补,( X + Y )补 = X补 + Y补 （1） ( X - Y )补 = X补 + (-Y)补 （2）,式（2）：操作码为“减”时，将减转换为加。,1) X= 4 Y= 5,X补=0 0100 Y补=1 1011 (-Y)补=0 0101,0 1001,（+9补码）,2) X= 4 Y= 5,X补=1 1100 Y补=0 0101 (-Y)补=1 1011,1 0111,（9补码）,例. 求(X Y)补,Y补 (Y)补：,将Y补变补,不管Y补为正或负，将其符号连同尾数一起各位变反，末位加1。,即将减数变补后与被减数相加。,X补=0 0100 Y补=1 1011,X补=1 1100 Y补=0 0101,注意：某数的补码表示与某数变补的区别。,例. 1 0101原 1 1011,补码表示,1 0011补 0 1101,变补,0 0101原 0 0101,补码表示,符号位不变；,负数尾数改变，正数尾数不变。,0 0011补 1 1101,变补,符号位改变，,尾数改变。,补码的机器负数,2. 算法流程,操作数用补码表示，符号位参加运算,结果为补码表示，符号位指示结果正负,X补+Y补,X补+(-Y)补,ADD,SUB,3. 逻辑实现,+1,（1）控制信号,加法器输入端：,+A：打开控制门，将A送。,+B：打开控制门，将B送。,+1：控制末位加 1 。,加法器输出端：,CPA：将结果打入A。,（2）补码加减运算器粗框,3.2.1.2 溢出判断,在什么情况下可能产生溢出？,例.数A有4位尾数，1位符号SA 数B有4位尾数，1位符号SB,符号位参加运算,结果符号Sf 符号位进位Cf 尾数最高位进位C,正确,正溢,正确,负溢,正确,正确,0 0111,（2）A=10 B=7 10+7 ：0 1010,1 0001,1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）,溢出=,SA,SB,Sf,SA,Sf,SB,2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）,正确,正溢,正确,负溢,正确,正确,Cf=0 C =0,Cf=0 C =1,Cf=1 C =1,Cf=1 C =0,Cf=1 C =1,Cf=0 C =0,1,1,1,1,1,1,1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）,2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）,3. 硬件判断逻辑三（双符号位）,第一符号位Sf1,第二符号位Sf2,1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）,2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）,3. 硬件判断逻辑三（双符号位）,3.2.1.3 移位操作,逻辑移位,：数码位置变化，数值不变。,1. 移位类型,算术移位,1 0 0 0 1 1 1 1,循环左移：,0,1 0 0 1 1 1 1,算术左移：,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,(-15),(-30),（1）单符号位 ：,0 0111,0 1110,（2）双符号位：,00 1110,00 0111,2.正数补码移位规则,（3）移位规则,0 0111,0 0011,01 1100,00 1110,00 0111,数符不变,（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。,空位补0,（右移时第二符号位移至尾数最高位）。,（1）单符号位 ：,1 1011,1 0110,（2）双符号位：,10 1100,11 0110,3.负数补码移位规则,（3）移位规则,1 1011,1 1101,11 0110,11 1011,数符不变,（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。,左移空位补0,（第二符号位移至尾数最高位）,右移空位补1,3.2.1.4 舍入方法,1. 0舍1入（原码、补码）,0 00100原,1 00101原,1 11011补,2. 末位恒置1（原码、补码）,0 00100原,1 11011补,1 00101原,0 0010原,1 0011原,1 1110补,0 0011原,1 0011原,1 1101补,例. 保留4位尾数：,例. 保留4位尾数：,3.2.2 定点乘法运算,3.2.2.1 原码一位乘法 每次用一位乘数去乘被乘数。 1.算法分析,例. 0.11011.1011,X原,Y原,（1）手算 0.1101 0.1011,1101 1101 0000 1101,0.10001111 上符号：1.10001111,部分积,问题：1）加数增多（由乘数位数决定）。 2）加数的位数增多（与被乘数、乘 数位数有关）。 改进：将一次相加改为分步累加。,（2）分步乘法,每次将一位乘数所对应的部分积与 原部分积的累加和相加，并移位。,设置寄存器： A：存放部分积累加和、乘积高位 B：存放被乘数 C：存放乘数、乘积低位,步数 条件 操作 A C,00.0000 .1011,1）,Cn=1,+B,Cn,+ 00.1101,00.1101,00.0110,1.101,2）,Cn=1,+B,+ 00.1101,01.0011,00.1001,11.10,3）,Cn=0,+0,+ 00.0000,00.1001,00.0100,111.1,4）,Cn=1,+B,+ 00.1101,01.0001,00.1000,1111,X原Y原 = 1.10001111,2.算法流程,Y,Y,N,N,3.运算规则,（1）操作数、结果用原码表示； （2）绝对值运算，符号单独处理； （3）被乘数(B)、累加和(A)取双符号位； （4）乘数末位(Cn)为判断位，其状态决定 下步操作； （5）作n次循环（累加、右移）。,3.2.2.2 补码一位乘法 1.算法分析 X补 = X0.X1X2Xn,（1）Y为正：Y补 = 0.Y1Y2Yn (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn) （2）Y为负：Y补 = 1.Y1Y2Yn (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn)+(-X)补 （3）Y符号任意： (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn)+(-X)补Y0,符号位,（4）展开为部分积的累加和形式： (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn)+(-X)补Y0,= X补(0.Y1Y2Yn)-X补Y0,Yn+1,比较法：用相邻两位乘数比较的结果决定 +X补、-X补或+0。,2.比较法算法 Yn(高位) Yn+1(低位) 操作(A补为部分积累加和),0 0 0 1 1 0 1 1,1/2A补 1/2(A补+X补) 1/2(A补-X补) 1/2A补,( 0 ),( 1 ),(-1 ),( 0 ),3.运算实例 X=-0.1101,Y=-0.1011,求(XY)补。 初值：A=00.0000,B=X补=11.0011, -B=(-X)补=00.1101,C =Y补=1.0101,步数 条件 操作 A C,00.0000 1.0101,1）,1 0,-B,Cn,+ 00.1101,00.1101,00.0110,11.0101,2）,0 1,+B,+ 11.0011,11.1001,11.1100,111.010,3）,1 0,-B,+ 00.1101,00.1001,00.0100,1111.01,4）,0 1,+B,+ 11.0011,11.0111,11.1011,11111.0,0,Cn+1,CnCn+1,5）,1 0,-B,+ 00.1101,(XY)补 = 0.10001111,4）,0 1,+B,+ 11.0011,11.0111,11.1011,11111.0,5）,1 0,-B,+ 00.1101,00.1000,1111,修正,(1)A、B取双符号位，符号参加运算； (2)C取单符号位，符号参加移位，以决定最后是否 修正； (3)C末位设置附加位Cn+1，初值为0，CnCn+1组成判 断位，决定运算操作； (4)作n步循环,若需作第n+1步,则不移位,仅修正。,4.运算规则,1.0 : -B修正 0.1 : +B修正 0.0 : 不修正 1.1 : 不修正,3.2.3 定点除法运算,例. 0.101100.11111,0.10110,1101,0.,0,1,11111,0.11111,0,0,0,1,11111,10101,0,1,11111,1011,0,0,.,00000,0.,商： 0.10110 余数：0.101102,实现除法的关键： 比较余数、除数 绝对值大小，以 决定上商。,3.2.3.1 原码恢复余数法 1.算法 比较两数大小可用减法试探。,2余数-除数=新余数,为正:够减,商1。 为负:不够减,商0,恢复原余数。,2.实例,X=-0.10110，Y=0.11111，求X/Y，给出商Q和余数R,设置：A：被除数、余数，B：除数，C：商,初值：A= X = 00.10110,B= Y = 00.11111,C= Q = 0.00000,-B= 11.00001,步数 条件 操作 A C,00.10110 0.00000,1）,0,-B,01.01100,+11.00001,00.01101,0.00001,2）,1,-B,00.11010,+11.00001,11.11011,0.00010,3）,恢复余数,+B,+00.11111,00.11010,01.10100,0.00101,4）,0,-B,+11.00001,00.10101,Cn,SA,Q1,Q2,Q3,r0,2r0,r1,2r1,r2,r2,2r2,r3,步数 条件 操作 A C,00.10101 0.00101,5）,0,-B,01.01010,+11.00001,00.01011,0.01011,6）,1,-B,00.10110,+11.00001,11.10111,0.10110,7）,恢复余数,+B,+00.11111,00.10110,Q= -0.10110,Cn,Q4,Q5,Q3,r3,2r3,r4,2r4,r5,r5,3.说明,3.2.3.2 原码不恢复余数法（加减交替法） 1.算法分析 第二步:2r1-B=r20 第三步:r2+B=r2(恢复余数) 第四步:2r2-B=r3,2r2-B=2(r2+B)-B =2r2+B=r3,第二步:2r1-B=r20 第三步:2r2+B=r3 (不恢复余数),2.算法 ri+1=2ri+(1-2Qi)Y,ri为正，则Qi为1，第i+1步作2ri-Y； ri为负，则Qi为0，第i+1步作2ri+Y。,3.实例,X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，给出商Q和余数R。,初值：A= X = 00.10110,B= Y = 00.11111,C= Q = 0.00000,-B=11.00001,步数 条件 操作 A C,00.10110 0.00000,1）,为正,-B,01.01100,+11.00001,00.01101,0.00001,2）,为负,-B,00.11010,+11.00001,11.11011,0.00010,3）,+B,+00.11111,11.10110,0.00101,为正,00.10101,Cn,r,Q1,Q2,Q3,r0,2r0,r1,2r1,r2,2r2,r3,4）,为正,-B,01.01010,+11.00001,00.01011,0.01011,Q4,2r3,r4,步数 条件 操作 A C,00.01011 0.01011,6）,为负,恢复余数,+B,+00.11111,00.10110,Q= -0.10110,Cn,Q4,r4,5）,为正,-B,00.10110,+11.00001,11.10111,0.10110,Q5,2r4,r5,r5,4.运算规则,（1）A、B取双符号位，X、Y取绝对值运算，X Y 。 （2）根据余数的正负决定商值及下一步操作。 （3）求n位商，作n步操作；若第n步余数为负，则第n+1步恢复余数，不移位。,3.2.3.3 补码不恢复余数法（加减交替法） 如何判断是否够减？,如何上商？,如何确定商符？,补码除法法则,1,0,1,0,3.2.3.3 补码不恢复余数法（加减交替法） 如何判断是否够减？,如何上商？,如何确定商符？,1.判够减,(1)同号相除 减,够减,不够减,够减,不够减,够减：r与X、Y同号；,不够减：r与X、Y异号。,(2)异号相除 加,0,1,0,1,够减,够减,不够减,不够减,够减：r与X同号,与Y异号；,不够减：r与X异号,与Y同号。,（3）判断规则,同号：作X补-Y补,X补,Y补,够减：r补与Y补同号,不够减：r补与Y补异号,异号：作X补+Y补,够减：r补与Y补异号,不够减：r补与Y补同号,2.求商值,同号：商为正,异号：商为负,够减商1 不够减商0,够减商0 不够减商1,(r、Y同号) (r、Y异号) (r、Y异号) (r、Y同号),上商规则：,余数与除数同号商1，异号商0。,3.算法 (ri+1)补=2ri补+(1-2Qi补)Y补,ri补与Y补同号，则Qi补为1，第i+1步作2ri补-Y补； ri补与Y补异号，则Qi补为0，第i+1步作2ri补+Y补。,4.求商符,令X补 = r0补,r0补与Y补,同号：Q0补=1 异号：Q0补=0,与实际商 符相反,商符,5.商的校正,商,余数,真商=假商+1.00001,=Q0.Q1Q2Qn-1,求n-1位商,(假商),第n位商(末位商)恒置1,(3)+1,商符变反,n位,(4)余数求至rn,6.实例,X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，给出商Q和余数R。,初值：A =X补=00.10110,B =Y补=11.00001,C =Q补=0.00000,-B =00.11111,步数 条件 操作 A C,00.10110 0.0000,1）,异号,+B,01.01100,+11.00001,00.01101,0.0000,2）,同号,+B,00.11010,+11.00001,11.11011,0.0001,Cn-1,r、Y,Q1,Q2,r0,2r0,r1,2r1,r2,求