计算机组成原理2_5教学计算机运算器设计.ppt

1、1,第一单元运算器部件,第五讲教学计算机运算器设计,2,运算器基本功能,完成算术、逻辑运算 +、。 取得操作数 寄存器组、立即数 输出、存放运算结果 寄存器组、数据总线 暂存运算的中间结果 Q寄存器、移位寄存器,3,运算器基本功能,获得运算结果的状态 C、Z、V、S 理解、响应控制信号,4,内容提要,TEC-2000运算器指标 运算器设计 芯片连接方式 超前进位 最低位进位 标志位设计 移位指令,5,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,

2、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,6,二选一,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,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,输出Y,F3 F=0000 OVR Cn+4,输入D,A口地址,B口地址,Am2901内部组成,组成 算逻运算 部件 1 6 个 累加器 乘商寄存器 Q 5组多路选择门 功能 8 种 运算功能 8 种 数据组合 8 种 结果处理,I5I3,I2I0,I8I6,7,Am2901的控制信号,编码 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I

3、0 000 Q F F R + S A Q 001 F S - R A B 010 B F A R - S 0 Q 011 B F F R S 0 B 100 B F/2 Q Q/2 F R S 0 A 101 B F/2 F R S D A 110 B 2F Q 2Q F R S D Q 111 B 2F F R S D 0,B Q Y,R S,8,TEC-2000运算器指标,字长16位（8位），由4（2）片Am2901组成 支持16位（8位）的算术、逻辑运算 主频： 1.8432MHz/3,9,Y118,Y30,D118,D74,D30,Cin,RAM0,Q0,Y74,4 片Am2901之

4、间的连接,Vcc R,10,片间高速进位用 Am2902,高位 Am2901,Am2901,Am2901,低位 Am2901,Am2902 Cn+z Cn+y Cn+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,I86 I53 I20,11,16(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,Cy F=0 Over F15（7）,运 算 器 部 件,A3A0

5、,B3B0,I8I6 I5I3 I2I0,12,ALU可完成的功能,ADD R0, R1; SUB R0, R1? INC R0 ? MOV R1, 1 ; ADD R0, R1 DEC R0 ? ADC R0 ? SBB R0, R1,R0+/R1+1(C),R0+0+1(C),R0+/0+0(C),R0+R1+0(C),R0+0+ C,R0+/R1+C,13,TEC2000 ALU最低位进位信号,最低位进位Cin 控制码SCI 应用场合举例 0 00 ADD DEC 1 01 SUB INC C 10 ADC SBB 方波 11 量测波形和转移 地址计算,（ 16 位机 和 8 位机 都是

6、如此处理）,最低位进位信号由 SCi 编码决定,14,最低位进位信号Cin的逻辑表达式,Cin = /SCI1* SCI0 + SCI1*/SCI0*C + SCI1* SCI0* TCLK2,15,16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,Cy F=0 OVR F7,SCi,RAM7 Q7,RAM0 Q0,0 1 C C0 或 方波,Y70,D70,B口,A口,I8I0,Cin,16,ALU完成功能需要的控制信号（1）,数据组合（ I2 I1 I0 ） 功能代码（ I5 I4 I3 ） 结果处理（ I8 I7 I6 ） A口地址 B口地址 最低位进位控制

7、信号（SCi）,17,运算结果标志,算术与逻辑的运算指令结果产生标志位的值 该标志位的值只在执行运算步骤接受 算术运算指令的结果影响 C 、 Z、V、S 逻辑运算指令的结果只影响 Z 其他指令或其他执行步骤不接受标志位的值 由此可见: 若设置标志位寄存器, 会有接收或不接受标志位的值这样两种处理 (依据什么指令的什么时刻),18,几条影响 C触发器的指令,指令中有 STC（C1）、CLC指令（C 0 ） 指令中有RCL、RCR、SHL、SHR指令， 他们的移位输出要传送进 C ( 还决定寄存器的移位输入 ),C,通 用 寄 存 器,通 用 寄 存 器,C,0,0,RCL,RCR,SHR,SHL

8、,RAM15,RAM0,RAM0,RAM15,19,对乘除法指令的支持,指令中 MUL SR 指令，DIV SR指令 他们的运行用到了移位输出要传送进 C （还决定寄存器的移位输入）,C,通用寄存器,通用寄存器,Q 寄存器,乘法，联合右移位,Q 寄存器,除法，联合左移位,/F15,Q0,Cy,20,状态寄存器的控制,用3位码控制 有8处来源 SST B34 33 32 C Z V S 000 不变 三位不变 (C,Z,V,S) 001 接受ALU状态输出（Cy,ZR,OV,F15） 010 接收内部总线输出 (IB7 6 5 4) 011 0 三位不变 100 1 三位不变 101 RAM0

9、三位不变 110 RAM15 三位不变 111 Q0 三位不变,21,状态寄存器的逻辑表达式,C := /B34*/B33*/B32* C V := /B34*/B33*/B32* V + /B34*/B33* B32* Cy + /B34*/B33* B32* OV + /B34* B33*/B32* IB7 + /B34* B33*/B32* IB5 + B34*/B33*/B32 + /B34* B33* B32* V + B34*/B33* B32* RAM0 + B34* V + B34* B33*/B32* RAM15 + B34* B33* B32* Q0 Z := /B34*/

10、B33*/B32* Z S := /B34*/B33*/B32* S + /B34*/B33* B32* ZR + /B34*/B33* B32* F15 + /B34* B33*/B32* IB6 + /B34* B33*/B32* IB4 + /B34* B33* B32* Z + /B34* B33* B32*S + B34* Z + B34* S,22,0,1,RAM0 Q0,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,C Z V S,Cy F=0 OV F15,来自内部总线 IB,RAM15 Q15,RAM0 Q0,Y150,D150,B口

11、,A口,I8I0,Cin,23,ALU完成功能需要的控制信号（2）,数据组合（ I2 I1 I0 ） 功能代码（ I5 I4 I3 ） 结果处理（ I8 I7 I6 ） A口地址 B口地址 最低位进位控制信号（SCi） 状态寄存器接收信号（SST）,24,寄存器移位输入信号,2位 控制码 左移操作 右移操作 指令 SSH RAM0 Q0 RAM15(7) Q15(7) 00 0 / 0 / SHL SHR 01 C / C / RCL RCR 10 Q15(7) /F15(7) C y RAM0 DIV MUL 实现中，具体移位输入信号是用 SSH 编码和 ALU 中的结果处理控制信号 I7

12、共同决定的,25,左右移位输入信号逻辑表达式,RAM15 = /B9* B8* C + B9*/B8* Cy Q15 = B9* RAM0 RAM0 = /B9* B8* C + B9*/B8* Q15 Q0 = B9*/B8* /F15 RAM15 .OE= /MI7 Q3 .OE= /MI7 RAM0 .OE= MI7 Q0 .OE= MI7,26,16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,Cy F=0 OVR F15,SSH,SSH,右移控制,左移控制,RAM15 Q15,RAM0 Q0,0 C Q15 /F15,0 C

13、 Cy RAM0,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,27,0,1,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,D150,B口,A口,I8I0,Cin,28,0,1,RAM0 Q0,RAM15,16位的 运算器,

14、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,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,D150,B口,A口,I8I0,29,16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,Cy F=0 Over F15,运 算 器 部 件,A30,B30,I

15、86,(用16个开关提供输入数据),C Z V S,SSH,SST,SCi,I53,I20,A口 B口 SCi SSH,I86 I53 I20 SST,通过24位微型开关 提供控制信号,用四个指示灯显示状态,30,ALU完成功能需要的控制信号（2）,数据组合（ I2 I1 I0 ） 功能代码（ I5 I4 I3 ） 结果处理（ I8 I7 I6 ） A口地址 B口地址 最低位进位控制信号（SCi） 状态寄存器接收信号（SST） 移位控制信号（SSH）,31,16 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 Cn SSH,R0R0+R1,R2R2R0,QR0,右移 R0R0+R1,R0QR0R3Q,Y F,0000,011,0001,000,001,0 00,0010,0000,010,001,001,1 01,0000,101,0001,000,001,0000,000,000,100,/ 0000,0000