3章-数据表示算法和线路-3

计算机组成原理,20112012学年第1学期,内蒙古民族大学计算机科学与技术学院,计算机硬件教研室杜连山,1、运算器在整机中的地位。2、运算器部件的功能、组成。3、位片结构的运算器芯片：Am-2901。4、教学计算机运算器的设计。,1.运算器在整机中的地位,控制器,运算器,存储器,输出设备,输入设备,计算机硬件系统的组成包括:,又称为五大功能部件,控制器控制与计算机相连的所有部件协调运行。,计算机的三总线结构包括：控制总线、地址总线和数据总线。,运算器：完成算数运算和逻辑运算,运算器主要承担数据的运算和处理。,(5)、具有接收外部数据和输出运算结果的逻辑电路。,2、运算器部件的功能和组成,(1)、完成算数和逻辑运算，由ALU承担。能够给出运算结果和特征，存入相应触发器中。,(2)、参加运算的数据和中间结果暂存于运算器的通用寄存器中。,(3)、能够自行移位的专用乘商寄存器，程序员不能访问。,(4)、用多路选择器实现电路的相互连接，完成数据传送。,完成3种算数运算和5种逻辑运算。由ALU来承担，其中的主要部件是具有超前进位功能的并行加法器。,由触发器构成。包括乘商寄存器，通用寄存器，锁存器，计数器等。,运算器用到数据由这里输入，存储在寄存器中。,由控制器送来的控制信号。教学计算机运算器用到24位的命令码。,一个运算周期的执行流程：1、把需要运算的数据输入到通用寄存器中。2、控制器把控制命令传给运算器，运算开始。3、根据控制器的控制命令，运算器把数据送到加法器中。4、运算器的加法器执行运算。这是运算器的主要工作时间。5、加法器将运算结果输出到通用寄存器。6、通用寄存器接收运算结果。,(3).能够接收外部送来的指令和数据，能够输出运算结果。,与控制器相关的几个问题：,(1).明确参加运算的数据来源，运算结果的去向。,(2).明确运算功能。,3、位片结构的运算器芯片：Am-2901,Am2901芯片是一个4位的位片结构的运算器芯片，是一个完整的运算器，只是位数较少，具有很好的典型性，作为教学实例是非常理想的。,Am2901集成电路芯片引脚图,Am2901芯片内部结构图,Am2901运算器由5个部分组成：,数据选择器：有5个,用来选择不同的数据，实现电路的相互连接，完成数据传送。,算数与逻辑运算单元：完成3种算数运算和5种逻辑运算。,数据锁存器：将数据暂存于此，在未接到指令前不再接收通存的数据。,通用寄存器：由16个4位的寄存器组成，R0专用来与I/O口交换数据；R4用做堆栈；R5用做程序计数器。,乘商寄存器：能够自行移位的专用寄存器，程序员不能访问。在做乘法和除法时用到。通存与Q存会联合移位。,Am2901芯片内部结构图,由控制器来的9位控制码。,8种运算方式选择码:,数据来源选择码:,运算结果选择码:,Am2901芯片内部结构图,运算器的输出：,ALU的输出：,最低位的进位输入,外部数据输入,4位的地址信号用来选择16个通用寄存器中的一个。如：A=0011，R3,关于状态标志位：由3位SST选择码来控制,关于最低位的进位信号：由2位SCI选择码来控制,最低、最高位的移位输入选择码：由2位的SSH来控制,运算举例：,Am2901的控制与操作：,（1）、控制信号：ALU的8种运算选择：选择码为：I5、I4、I3功能见下表：,ALU的2个数据来源选择：选择码为：I2、I1、I0功能见下表：,运算结果处理选择码：I8、I7、I6。功能见下表：,（2）、外部的数据：a、通过D端接受外部送来的数据。b、Cn最低位的进位信号，由另外的电路解决。c、RAM3、RAM0、Q3、Q0，移位控制由I8I0来控制。d、C、Z、V、S4个标志位，由标志寄存器保存。e、R0、R1、R2、R3、R4、R5R15，16个通用寄存器，由4位的地址控制。由Am2901之外的电路送来。A地址选中A端口，B地址选中B端口，A、B地址同时选中同一寄存器，输出同一内容。f、通用寄存器写操作时，结果写入由B地址选中的寄存器。g、Am2901的输出Y由F或A锁存器输出。,（3）、芯片线路的几点说明：a、/OE输出Y允许控制，当/OE=0时，Y值输出。b、标志位F=0000为集电极开路门输出。c、RAM3、RAM0、Q3、Q0为双向三态逻辑。d、通用寄存器与ALU之间有数据锁存器支持，保证结果处理的准确性。e、芯片具有超前进位输出信号G、P，可实现多芯片并联。,4、教学计算机的运算器设计,教学计算机的运算器的组成与设计字长16(8)位，用4(2)片4位的Am2901组成。(一).要掌握Am2901芯片的内部组成和实现的功能。(二).4(2)片Am2901怎样连接成为16(8)位的运算器。(三).怎样解决运算器实用中的几个问题：(1)如何给出Am2901最低位的进位输入信号。(2)如何处理运算结果的标志位。(3)如何处理移位指令、置1和清0触发器的指令。(4)如何支持硬件乘法、除法指令。重点是前2项内容和第3项中的(1)(2)。教学计算机运算器的控制和使用（包括教学实验）。,教学计算机外观图:,教学计算机的内部结构图,Y3Y0,D3D0,RAM3,Q3,RAM0,Q0,CP,OE,Cin,CyF=0OverF3,Am2901,A3A0,B3B0,I8I6,I5I3,I2I0,返回,输入输出信号及引脚,Y30,D30,Cin,RAM0,Q0,8位的运算器部件2片Am2901之间的连接,VccR,返回,Y118,Y30,D118,D74,D30,Cin,RAM0,Q0,Y74,4片Am2901之间的连接,VccR,返回,片间高速进位用Am2902,高位Am2901,Am2901,Am2901,低位Am2901,Am2902Cn+zCn+yCn+x,/G/P,+5V,Y1512,Y118,Y74,Y30,D1512,D118,D74,D30,OVER,F=0,F15,Cy,Cin,CP,RAM15,Q15,RAM0,Q0,A口,B口,I86I53I20,返回,16(8)位机运算器入出信号及引脚,Y15（7）Y0,D15（7）D0,RAM15（7）,Q15（7）,RAM0,Q0,CP,OE,Cin,CyF=0OverF15(7),运算器部件,A3A0,B3B0,I8I6I5I3I2I0,返回,16位的运算器,8位运算器最低位进位输入信号Cin,最低位进位GAL3,CyF=0OVRF7,SCi,RAM7Q7,RAM0Q0,01CC0或方波,Y70,D70,B口,A口,I8I0,Cin,返回,16位的运算器,16位运算器最低位进位输入信号Cin,最低位进位GAL3,CyF=0OVRF15,SCi,运算功能码,RAM15Q15,RAM0Q0,01C/C方波,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,（TEC-2机）,返回,最低位进位输入选择码:SCi,0,1,RAM0Q0,RAM15,16位的运算器,16位运算器的状态寄存器,四位标志位GAL1,SST,CZVS,CyF=0OVF15,来自内部总线IB,RAM15Q15,RAM0Q0,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,返回,ALU的状态标志位选择码:SST,16位的运算器,16位运算器的最高位、最低位移位输入信号,右移输入信号GAL3,左移输入信号GAL3,CyF=0OVRF15,SSH,SSH,右移控制,左移控制,RAM15Q15,RAM0Q0,0CQ15/F15,0CCyRAM0,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,返回,最高位、最低位的移位输入选择码:SSH,0,1,RAM0Q0,RAM7,8位的运算器,TEC-20008位运算器的完整组成,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,CZVS,CyF=0OVRF7,来自内部总线IB,SSH,SSH,SCi,右移控制,左移控制,RAM7Q7,RAM0Q0,0CQ7/F7,0CCyRAM0,01CC0,Y70,D70,B口,A口,I8I0,Cin,返回,0,1,RAM0Q0,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,CZVS,CyF=0OVRF15,来自内部总线IB,SSH,SSH,SCi,运算功能码,右移控制,左移控制,RAM15Q15,RAM0Q0,0CQ15/F15,0CCyRAM0,01C/C方波,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,返回,实验一脱机的运算器实验,0,1,RAM0Q0,RAM15,16位的运算器,完整16位运算器的脱机实验,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,CZVS,CyF=0OVRF15,来自内部总线IB,SSH,SSH,SCi,运算功能码,右移控制,左移控制,RAM15Q15,RAM0Q0,0CQ15/F15,0CCyRAM0,01C/C方波,Y150,D150,B口,A口,I8I0,返回,16位运算器脱机实验,Y15Y0(用16个指示灯显示结果),D15D0,RAM15,Q15,RAM0,Q0,Cin,CyF=0OverF15,运算器部件,A30,B30,I86,(用16个开关提供输入数据),CZVS,SSH,SST,SCi,I53,I20,A口B口SCiSSH,I86I53I20SST,通过24位微型开关提供控制信号,用四个指示灯显示状态,返回,实验目的深入了解AM2901运算器的功能与具体用法，了解4片AM2901的级连方式，深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识。实验内容：1、在脱机状态下，由数据开关输入数据D1和D2。2、通过24位的微型开关输入命令码，按照下表，每一行是一个操作命令，完成一种特定操作。3、在按照表的内容设置好功能开关和数据开关之后，通过发光二极管观察和记录结果，填入表中,然后,按“START”按键，再通过发光二极管观察结果，填入表中。,脱机的运算器实验表：,脱机的运算器实验表：,D1=0101H=0000000100000001BR0D2=1010H=0001000000010000BR1步骤3:R0+R1=0000000100000001+0001000000010000按START前:00010001000100011111H按START后:0001000100010001+000100000001000000100001001000012121H,步骤3:之后:R0=1111=0001000100010001BR1=1010=0001000000010000B步骤4:R0-R1=0001000100010001-0001000000010000按START前:00000001000000010101H按START后:0000000100000001+00010000000100001111000011110001F0F1H,实验说明脱机运算器实验，是指让运算器从教学计算机整机中脱离出来。此时，它的全部控制与操作均需通过两个12位的微型开关来完成，这就谈不上执行指令，只能通过开关、按键控制教学机的运算器完成指定的运算功能，并通过指示灯观察运算结果。12位微型开关的具体控制功能分配如下：A口、B口地址：送给AM2901器件用于选择源与目的操作数的寄存器编号；I8I6为运算结果选择码，I5I3为运算功能选择码，I2I0为参加运算的数据来源选择码。SCi用于确定运算器最低位的进位选择码，SSH移位信号的入出选择码，SSTAM2901产生状态标志位的选择码。,实验步骤:1、先将教学机左下方的5个方式开关置为lXX00(单步、16位、脱机)；然后按一下“RESET”按键复位，再按一下“START”按键，进行运算。之后，每设置好一个指令后，按：“START”键执行指令。2、进行24位的功能码开关设置和数据开关的设置。操作举例：表中的第一行为*D1+ORO，是把数据D1送入寄存器R0，具体操作是：（1）、输入D1=O101H，方法是把2个8位的数据开关设置为：0000000100000001。（2）、I8I0为011000111，I8-I6为011：FB，ALU的输出送B寄存器。I5-I3为000：R+S，运算功能选择。I2-I0为111：S=0，R=D1=0101数据来源选择。,（3）、SST为001：标志位接收ALU的输出值。SCi为00：指最低位的进位取0值。SSH为00：通用寄存器逻辑移位。（4）、A口为不用。B口为0000：0000是寄存器R0的编号。3、按START按键之前，记录ALU的输出值。然后按START按键，再记录ALU的输出值。至此，表中的第1行操作完成。4、按照步骤2的方法送入D2，D2=1010送入R1。5、表的第3行以下的操作，按照表中的内容进行直到最后完成。6、先在草稿上记录实验数据，实验完成之后检查无误再填表。