第三章 运算器

2020/5/1,1,第三章运算器,运算器部件是计算机中的执行部件，它可以对二进制数据进行各种算术和逻辑运算；运算器是计算机内部数据信息的重要通路。,2020/5/1,2,3.1运算器的组成与功能,1.算术逻辑运算单元ALU,运算器实现了对计算机中数据的加工处理；包括数值数据的算术运算和逻辑数据的逻辑操作。,运算器中完成数据算术与逻辑运算的部件称之为算术与逻辑运算单元（ArithmeticandLogicUnit，简称ALU）。ALU是运算器的核心。,2020/5/1,3,功能：实现二进制数据的算术、逻辑运算算术运算加、减、乘、除等逻辑运算与、或、非、移位等组成：由ALU、控制线路、多路选择器、移位器等组成,ALU通常表示为两个输入端口，一个输出端口和多个功能控制信号端的这样的一个逻辑符号。,2020/5/1,4,ALU的逻辑符号表示与多路开关,2020/5/1,5,2.寄存器组,运算器内设有若干通用寄存器，构成通用寄存器组；用于暂时存放参加运算的数据和某些中间结果。,通用寄存器的数量越多，对提高运算器性能和程序执行速度越有利。,通用寄存器组是对用户开放的，用户可以通过指令去使用这些寄存器。,2020/5/1,6,在运算器中用来提供一个操作数并存放运算结果的通用寄存器称作为累加器。,如：ADDA,Rj,2020/5/1,7,3.专用寄存器,运算器需要记录下指令执行过程中的重要状态标记，以及提供运算前后数据的暂存缓冲等，这通过在运算器中设置若干专用寄存器来实现。,循环计数器对程序员是透明的。,2020/5/1,8,程序状态字PSW(ProgramStatusWord)，它存放着指令执行结果的某些状态；如是否溢出、是否为零、是否有进位/借位、是否为负等。它对程序员是开放的。,堆栈指针SP(StackPointer)，它指示了堆栈的使用情况。,2020/5/1,9,4.控制逻辑,在运算器中附加一些控制线路；以达到运算速度快，运算精度高的目的。,运算器中的乘除运算和某些逻辑运算是通过移位操作来实现的。在ALU的输出端设置移位线路来实现左移、右移和直送。,2020/5/1,10,移位线路是一个多路选择器。,实现移位功能的多路选择器,2020/5/1,11,3.2从半加器到ALU(算术逻辑部件),1、半加器,2020/5/1,12,2、全加器,由此式可见，全加器进位Ci是由两部分组成,2020/5/1,13,2020/5/1,14,2020/5/1,15,由n个全加器串接构成，进行两个n位数的相加，n位数据的各位同时运算，每一级直接依赖前一级的进位，进位信号逐级形成的，这种加法器称为“串行进位的并行加法器”。或称“行波进位加法器”。,3、串行进位的并行加法器,2020/5/1,16,串行进位的并行加法器,2020/5/1,17,4、先行进位加法器,为了减少进位延迟时间，引入了“先行进位”的概念，其特点是n级加法器各级进位信号同时形成，故又称为“并行进位”或“同时进位”。,由全加器进位表达式：,2020/5/1,18,当本位Ai和Bi两数均为1时，将产生进位Ci，称“本地进位”。,定义：Gi=AiBiGi进位生成函数,当本位Ai和Bi中有一个为1时。若Ci-1=1，则有进位Ci，称“传递进位”。,定义：Pi=Ai+Bi或Pi=AiBiPi进位传递函数,2020/5/1,19,当Pi=1时，可以使从i1位来的进位通过第i位传递到下一位。公式,可以改写为：,2020/5/1,20,由此，可递推出各位进位直接与C0的关系：,先行进位的优点：速度快。缺点：线路复杂。,2020/5/1,21,3.3ALU运算部件74181,74181ALU方框图,2020/5/1,22,74181ALU方框图,2020/5/1,23,逻辑功能表,2020/5/1,24,74181ALU说明,A0A3和B0B3分别是两个4位数的输入。S0S3是功能控制引脚，不同的组合可以得到不同的功能，如逻辑运算和算术运算等各有16种功能。F0F3为算术、逻辑运算结果的输出。Cn为低位来的进位信号，Cn4为向高位的进位14脚输出高电平，表示A=B，指示两个操作数是否相等。,2020/5/1,25,M端为控制端，M=0时，ALU进位算术运算；M=1时，ALU进位逻辑运算。P、G为两个本组先行进位输出端，P为进位传输函数，G为进位生成函数。,2020/5/1,26,1ALU实现加法操作的原理,当S3S2S1S0=HLLH，M=L时，ALU实现对A3A2A1A0和B3B2B1B0两个4位二进制代码在进位输入Cn参与下的加法运算；即：Fi=AiBiCn+i(i=3,2,1,0)。,这时74181为各位输出接有反相器的具有进位链的4位全加器。,Fi本位和,2020/5/1,27,2ALU单元实现逻辑运算,当M=H时，由图可知，进位门1316均被封锁，Fi=PiGi，位间不发生关系，电路执行逻辑运算。,S3S2S1S0=HLLH时，Fi=PiGi=AiBi，对输入数据A3A2A1A0和B3B2B1B0执行逻辑“同或”(异或非)操作。,S3S2S1S0=HHHH时，Fi=PiGi=Ai，即F=A，此时，电路