曹紅根計(jì)算機(jī)組成原理3.6運(yùn)算器的組成

1、3.6 3.6 運(yùn)算器組成運(yùn)算器組成3.6.13.6.1定點(diǎn)運(yùn)算器定點(diǎn)運(yùn)算器1.1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 運(yùn)算器結(jié)構(gòu)的基本組成部分：包括運(yùn)算器結(jié)構(gòu)的基本組成部分：包括alualu、寄存器、多、寄存器、多路開關(guān)、標(biāo)志路開關(guān)、標(biāo)志/ /狀態(tài)觸發(fā)器、移位器和數(shù)據(jù)總線等基狀態(tài)觸發(fā)器、移位器和數(shù)據(jù)總線等基本邏輯部件。本邏輯部件。運(yùn)算器設(shè)計(jì)主要是運(yùn)算器設(shè)計(jì)主要是圍繞著圍繞著alualu和寄存器同數(shù)據(jù)總線之和寄存器同數(shù)據(jù)總線之間如何傳送操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果而進(jìn)行的間如何傳送操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果而進(jìn)行的。 （1 1）單總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器）單總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器（2 2）雙總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器）雙總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器（3 3）三總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器）

2、三總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器2.2.定點(diǎn)運(yùn)算器舉例定點(diǎn)運(yùn)算器舉例(1)(1)最簡單的運(yùn)算器最簡單的運(yùn)算器 最基本的運(yùn)算器由算術(shù)邏最基本的運(yùn)算器由算術(shù)邏輯部件輯部件alualu、累加器、累加器(ac)(ac)、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)緩沖寄存器緩沖寄存器(mdr)(mdr)組成。組成。 運(yùn)算器與存儲器之間通過運(yùn)算器與存儲器之間通過一條雙向數(shù)據(jù)總線進(jìn)行聯(lián)系，一條雙向數(shù)據(jù)總線進(jìn)行聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)從存儲器中讀取一個可以實(shí)現(xiàn)從存儲器中讀取一個數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)經(jīng)mdrmdr、alualu存放在存放在acac中，中，也可把也可把a(bǔ)cac中信息經(jīng)中信息經(jīng)mdrmdr存入主存存入主存的指定單元。它也可以實(shí)現(xiàn)的指定單元。它也可以實(shí)現(xiàn)acac中數(shù)據(jù)

3、與主存某一單元的數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)與主存某一單元的數(shù)據(jù)經(jīng)經(jīng)alualu運(yùn)算，結(jié)果暫存于運(yùn)算，結(jié)果暫存于acac中。中。(2)am2901a(2)am2901a位片式結(jié)構(gòu)運(yùn)算器位片式結(jié)構(gòu)運(yùn)算器n利用大規(guī)模集成電路技術(shù)（利用大規(guī)模集成電路技術(shù)（lsi）常將）常將alu與寄存器與寄存器集成為集成為位片式結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器芯片，如位片式結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器芯片，如 4 4位位/ /片。用幾片。用幾塊位片芯片拼接，可以構(gòu)成較長位數(shù)的運(yùn)算器。塊位片芯片拼接，可以構(gòu)成較長位數(shù)的運(yùn)算器。nam2901aam2901a是一種位片式結(jié)構(gòu)運(yùn)算器組件。是一種位片式結(jié)構(gòu)運(yùn)算器組件。am2901aam2901a運(yùn)算器組件的特點(diǎn)運(yùn)算器組件的特點(diǎn)

4、 n采用位片式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有四位線路，把多塊采用位片式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有四位線路，把多塊am2901aam2901a芯片級聯(lián)起芯片級聯(lián)起來，可實(shí)現(xiàn)不同位數(shù)的運(yùn)算器。來，可實(shí)現(xiàn)不同位數(shù)的運(yùn)算器。n其其alualu可實(shí)現(xiàn)八種運(yùn)算功能，用外部送入的三位控制信號可實(shí)現(xiàn)八種運(yùn)算功能，用外部送入的三位控制信號i i5 5i i4 4i i3 3的的編碼值，實(shí)現(xiàn)八種功能的選擇控制。編碼值，實(shí)現(xiàn)八種功能的選擇控制。n由外部送來的三位控制碼由外部送來的三位控制碼i i2 2i i1 1i i0 0控制控制r r、s s的多路選擇器選擇輸入。的多路選擇器選擇輸入。n運(yùn)算器中有運(yùn)算器中有1 1個個16164 4位的通用寄存

5、器組和一個位的通用寄存器組和一個4 4位的位的q q寄存器。寄存器。nalualu給出的四個狀態(tài)信息。給出的四個狀態(tài)信息。nramram3 3、ramram0 0、q q3 3、q q0 0：移位寄存器接收與送出移位數(shù)值的引線：移位寄存器接收與送出移位數(shù)值的引線n運(yùn)算器的四位輸出為運(yùn)算器的四位輸出為y y3 3y y0 0，它可以是，它可以是alualu的運(yùn)算結(jié)果，也可以的運(yùn)算結(jié)果，也可以是寄存器組是寄存器組a a輸出端口上的內(nèi)容。輸出端口上的內(nèi)容。 表3-9 alu 功能選擇 表3-10 alu 操作數(shù)選擇 編碼 編碼 i5 i4 i3 功能 i2 i1 i0 alu 操作數(shù)輸入 r s 0

6、 0 0 rs 0 0 0 a q 0 0 1 sr 0 0 1 a b 0 1 0 rs 0 1 0 0 q 0 1 1 rs 0 1 1 0 b 1 0 0 rs 1 0 0 0 a 1 0 1 rs 1 0 1 d a 1 1 0 rs 1 1 0 d q 1 1 1 rs 1 1 1 d 0 表 3-11 alu 的功能選擇 編碼 功 能 i8 i7 i6 寄存器組 q 寄存器 y 輸出 0 0 0 f 0 0 1 f 0 1 0 fb a 0 1 1 fb f 1 0 0 f/2b q/2q f 1 0 1 f/2b f 1 1 0 2fb 2qq f 1 1 1 2fb f 例：給

7、出實(shí)現(xiàn)指令例：給出實(shí)現(xiàn)指令r r0 0r r1 1mm的控制信號。的控制信號。解：解：n選擇選擇r r0 0：a a地址地址00000000； n選擇選擇r r1 1：b b地址地址00010001；nr ra a，s sb b：i i2 2i i1 1i i0 0001001；nr rs s：i i5 5i i4 4i i3 3000000；n輸出運(yùn)算結(jié)果輸出運(yùn)算結(jié)果f f（y yf f）：）：i i8 8i i7 7i i6 6001001n控制允許運(yùn)算結(jié)果控制允許運(yùn)算結(jié)果f f輸出：輸出： 0 0 oe例：給出實(shí)現(xiàn)指令例：給出實(shí)現(xiàn)指令2(d2(dr r9 9)r)r1010的控制信號的控

8、制信號解解：n選擇選擇r r9 9：a a地址地址10011001； n選擇選擇r r1010：b b地址地址10101010；nr rd d，s sa a：i i2 2i i1 1i i0 0101101；nr rs s：i i5 5i i4 4i i3 3010010；n輸出運(yùn)算結(jié)果輸出運(yùn)算結(jié)果2f2f到到r r1010：i i8 8i i7 7i i6 6111111n為了封鎖為了封鎖y yf f的輸出，的輸出，oeoe1 13.6.2 浮點(diǎn)運(yùn)算器浮點(diǎn)運(yùn)算器n由于浮點(diǎn)運(yùn)算中階碼運(yùn)算與尾數(shù)運(yùn)算分別進(jìn)行，因此由于浮點(diǎn)運(yùn)算中階碼運(yùn)算與尾數(shù)運(yùn)算分別進(jìn)行，因此浮點(diǎn)運(yùn)算部件應(yīng)包括浮點(diǎn)運(yùn)算部件應(yīng)包括尾

9、數(shù)部件尾數(shù)部件和和階碼部件階碼部件兩個部分。兩個部分。實(shí)現(xiàn)四則運(yùn)算的浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)四則運(yùn)算的浮點(diǎn)運(yùn)算器 尾數(shù)運(yùn)算部件尾數(shù)運(yùn)算部件 進(jìn)行尾數(shù)的加減乘除運(yùn)算。進(jìn)行尾數(shù)的加減乘除運(yùn)算。 由寄存器由寄存器r r0 0、r r1 1、m mq q及并行加法器及并行加法器fmfm組成。組成。 r r0 0、r r1 1：暫存操作數(shù)。其中：暫存操作數(shù)。其中r r0 0也稱為累加器，用于存也稱為累加器，用于存 放運(yùn)算結(jié)果。放運(yùn)算結(jié)果。 m mq q：乘商寄存器：乘商寄存器 用于進(jìn)行乘除運(yùn)算，用于進(jìn)行乘除運(yùn)算，r r0 0、m mq q具有聯(lián)合左移、右移的功具有聯(lián)合左移、右移的功 能，實(shí)現(xiàn)方法與定點(diǎn)乘、除法器相

10、類似。能，實(shí)現(xiàn)方法與定點(diǎn)乘、除法器相類似。 r r1 1具有右具有右 移功能，以實(shí)現(xiàn)對階移位。移功能，以實(shí)現(xiàn)對階移位。 階碼運(yùn)算部件階碼運(yùn)算部件進(jìn)行階碼的加減運(yùn)算。進(jìn)行階碼的加減運(yùn)算。由寄存器由寄存器e e1 1、e e2 2、階差計(jì)數(shù)器、階差計(jì)數(shù)器ecec以及并行加法器以及并行加法器fefe組組成。成。e e1 1、e e2 2：存放與：存放與r r0 0、r r1 1中尾數(shù)相對應(yīng)的階碼。中尾數(shù)相對應(yīng)的階碼。 作加減運(yùn)算時作加減運(yùn)算時 由階碼運(yùn)算部件求出階差由階碼運(yùn)算部件求出階差e ee e1 1e e2 2，并存入階，并存入階差計(jì)數(shù)器差計(jì)數(shù)器ecec中，中，ecec可根據(jù)符號判斷哪個階碼小

11、，可根據(jù)符號判斷哪個階碼小，控制將對應(yīng)的尾數(shù)控制將對應(yīng)的尾數(shù)(r(r0 0或或r r1 1) )進(jìn)行右移。進(jìn)行右移。e e為，為，e e2 2小，小，r r1 1右移，每移一位，右移，每移一位，ecec1 1e e為，為，e e1 1小，小，r r0 0右移，每移一位，右移，每移一位，ecec1 1直到直到ecec0 0，完成對階工作。，完成對階工作。 尾數(shù)部件作加尾數(shù)部件作加/ /減運(yùn)算，結(jié)果存入減運(yùn)算，結(jié)果存入r r0 0。 判別運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)行規(guī)格化。判別運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)行規(guī)格化。 在規(guī)格化處理過程中，每將在規(guī)格化處理過程中，每將r r0 0左移左移( (或右移或右移) ) 一位時，應(yīng)將一位時，應(yīng)將e e1 1與與e e2 2中的