3计算机组成原理-3-2-ALU

3.2 算术逻辑运算部件,本章需解决的关键问题： 如何以加法器为基础，实现各种 运算处理。 解决思路： 复杂运算,四则运算,加法运算,解决方法： 在加法器的基础上，增加移位传送 功能，并选择输入控制条件。,3.2.1 加法单元 1. 加法单元的输入和输出,一个输入为1时， i为1，Ci为0； 两个输入为1时， i为0，Ci为1； 三个输入为1时， i为1，Ci为1。,2. 全加器 （1）逻辑一,（2）逻辑二,3.2.2 并行加法器与进位链逻辑 1.并行加法器 （1）特点：各位同时相加。 例. 先看一个8位数相加的例子,（2）影响速度的主要因素 进位信号的传递,2. 并行加法器的进位链 （1）进位链的基本逻辑关系,所以 Ci = Gi + Pi Ci-1,进位产生函数,进位传递函数（进位条件）,本地进位、绝对进位,条件进位、传递进位,（2）串行进位 特点：进位信号逐位形成。 设n位加法器 1）逻辑式,C1 = G1 + P1C0 C2 = G2 + P2C1 Cn = Gn + PnCn-1,2）结构举例,C2 G2 P2 C1 G1 P1 C0,Gi Pi,Ai Bi Ai Bi,（3）并行进位 特点：各位进位信号同时形成。 设n位加法器 1）逻辑式,C1 = G1 + P1C0 C2 = G2 + P2C1 = G2 + P2G1 + P2P1C0 Cn = Gn + PnCn-1 = Gn + PnGn-1 + + PnPn-1P2P1C0,n + 1 项,2）结构举例,G2 P2 G1 P1,C0,C2 C1,Ai Bi,Gi,Pi,Ai Bi,（4）组内并行、组间并行 设16位加法器，4位一组，分为4组：,4位,4位,4位,4位,第4组 第3组 第2组 第1组,C16 C13 C12 C9 C8 C5 C4 C1,C0,C16 C12 C8 C4,分级（两级）同时进位,1）第1组进位逻辑式 组内： C1 = G1 + P1C0 C2 = G2 + P2G1 + P2P1C0 C3 = G3 + P3G2 + P3P2G1 + P3P2P1C0 组间： C4 = G4 + P4G3 + P4P3G2 + P4P3P2G1 + P4P3P2P1C0,GI,PI,所以 CI = GI + PIC0,2）第2组进位逻辑式 组内： C5 = G5 + P5CI C6 = G6 + P6G5 + P6P5CI C7 = G7 + P7G6 + P7P6G5 + P7P6P5CI 组间： C8 = G8 + P8G7 + P8P7G6 + P8P7P6G5 + P8P7P6P5CI,G,P,所以 C = G + PCI,3）第3组进位逻辑式 组内： C9 = G9 + P9C C10 = G10 + P10G9 + P10P9C C11 = G11 + P11G10 + P11P10G9 + P11P10P9C 组间： C12 = G12 + P12G11 + P12P11G10 + P12P11P10G9 + P12P11P10P9C,G,P,所以 C = G + P C,4）第4组进位逻辑式 组内： C13 = G13 + P13C C14 = G14 + P14G13 + P14P13C C15 = G15 + P15G14 + P15P14G13 + P15P14P13C 组间： C16 = G16 + P16G15 + P16P15G14 + P16P15P14G13 + P16P15P14P13C,G,P,所以 C = G + PC,5）各组间进位逻辑,CI = GI + PIC0 C = G + PCI C = G + P C C = G + PC,= G + PGI + PPIC0,= G + P G + P PGI + P PPIC0,= G + P G + PP G + P P PGI + PP PPIC0,6）结构示意,Co,C,G P G P G P GI PI,C3 1,C15 13 C11 9 C7 5,C C CI,7）进位传递过程,Ai、Bi、C0,Co,G、P.GI、PI、,G P G P G P GI PI,C3 1,C,C C CI,C、C、C、CI,C15 13 C11 9 C7 5,C15 13、C11 9、C7 5,C3 1,第1步,第2步,第3步,例. 已知操作数Ai、Bi，初始进位C0。试写出C6的逻辑式。 串行进位：C6 = 并行进位：C6 = 分级同时进位，四位一组： C6 =,G6+P6C5,G6+P6G5+P6P5G4+. +P6P5P1C0,G6+P6G5+P6P5CI,CI=GI+PIC0,GI=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1,PI=P4P3P2P1,Gi=AiBi Pi=AiBi,3.2.3 ALU部件,ALU,以SN74181芯片（4位片ALU）为例。 1. ALU的组成 （1）一位逻辑,1位加法器（求和、进位） 1位选择器（1对 ） 1个公共控制门（4位共用）,输入端： 操作数Ai、Bi 低位进位Ci-1,0 0 0 0,1 Ai,0,1,0 1 0 1,Bi,AiBi,1 0 1 0,Bi,Ai+Bi,1 1 1 1,Bi,Ai,0,教材P98，表3-1：,（2）多位逻辑 见教材P99：4位ALU 组内并行进位链 符合比较“A=B”,原始进位 Cn,进位输出,Cn+4 G、P,构成组间串行进位,构成组间并行进位,2. 运算功能 16种算术运算功能，16种逻辑运算功能 列于表3-2（P100）。 例1. S3S2S1S0 Xi Yi F(M=1) F(M=0),0 0 0 0,0,0,0,0,1,Ai,1,0,1,1,0,1,0,1,例. S3S2S1S0 Xi Yi F（M=1）F（M=0） 0 0 0 0 1 Ai,所以 F = A的各位均加1 = A减1,A减1,1,0,0,1,Ai+Bi,AiBi,1,0,1,0,1,0,1,(Ai+Bi) AiBi,所以 F = A加B,3. ALU的进位逻辑 （1）组间串行,（2）组间并行,3.2.4 运算器组织,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。,1 、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。,2 、带输入锁存器的运算器,特点： 单口RAM不能同时