曹紅根計算機組成原理3.6運算器的組成

1、3.6 3.6 運算器組成運算器組成3.6.13.6.1定點運算器定點運算器1.1.基本結構基本結構 運算器結構的基本組成部分：包括運算器結構的基本組成部分：包括alualu、寄存器、多、寄存器、多路開關、標志路開關、標志/ /狀態(tài)觸發(fā)器、移位器和數據總線等基狀態(tài)觸發(fā)器、移位器和數據總線等基本邏輯部件。本邏輯部件。運算器設計主要是運算器設計主要是圍繞著圍繞著alualu和寄存器同數據總線之和寄存器同數據總線之間如何傳送操作數和運算結果而進行的間如何傳送操作數和運算結果而進行的。 （1 1）單總線結構運算器）單總線結構運算器（2 2）雙總線結構運算器）雙總線結構運算器（3 3）三總線結構運算器）

2、三總線結構運算器2.2.定點運算器舉例定點運算器舉例(1)(1)最簡單的運算器最簡單的運算器 最基本的運算器由算術邏最基本的運算器由算術邏輯部件輯部件alualu、累加器、累加器(ac)(ac)、數據、數據緩沖寄存器緩沖寄存器(mdr)(mdr)組成。組成。 運算器與存儲器之間通過運算器與存儲器之間通過一條雙向數據總線進行聯(lián)系，一條雙向數據總線進行聯(lián)系，可以實現(xiàn)從存儲器中讀取一個可以實現(xiàn)從存儲器中讀取一個數據經數據經mdrmdr、alualu存放在存放在acac中，中，也可把也可把acac中信息經中信息經mdrmdr存入主存存入主存的指定單元。它也可以實現(xiàn)的指定單元。它也可以實現(xiàn)acac中數據

3、與主存某一單元的數據中數據與主存某一單元的數據經經alualu運算，結果暫存于運算，結果暫存于acac中。中。(2)am2901a(2)am2901a位片式結構運算器位片式結構運算器n利用大規(guī)模集成電路技術（利用大規(guī)模集成電路技術（lsi）常將）常將alu與寄存器與寄存器集成為集成為位片式結構的運算器芯片，如位片式結構的運算器芯片，如 4 4位位/ /片。用幾片。用幾塊位片芯片拼接，可以構成較長位數的運算器。塊位片芯片拼接，可以構成較長位數的運算器。nam2901aam2901a是一種位片式結構運算器組件。是一種位片式結構運算器組件。am2901aam2901a運算器組件的特點運算器組件的特點

4、 n采用位片式結構，內部有四位線路，把多塊采用位片式結構，內部有四位線路，把多塊am2901aam2901a芯片級聯(lián)起芯片級聯(lián)起來，可實現(xiàn)不同位數的運算器。來，可實現(xiàn)不同位數的運算器。n其其alualu可實現(xiàn)八種運算功能，用外部送入的三位控制信號可實現(xiàn)八種運算功能，用外部送入的三位控制信號i i5 5i i4 4i i3 3的的編碼值，實現(xiàn)八種功能的選擇控制。編碼值，實現(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運算器中有運算器中有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值的引線：移位寄存器接收與送出移位數值的引線n運算器的四位輸出為運算器的四位輸出為y y3 3y y0 0，它可以是，它可以是alualu的運算結果，也可以的運算結果，也可以是寄存器組是寄存器組a a輸出端口上的內容。輸出端口上的內容。 表3-9 alu 功能選擇 表3-10 alu 操作數選擇 編碼 編碼 i5 i4 i3 功能 i2 i1 i0 alu 操作數輸入 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、出實現(xiàn)指令例：給出實現(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輸出運算結果輸出運算結果f f（y yf f）：）：i i8 8i i7 7i i6 6001001n控制允許運算結果控制允許運算結果f f輸出：輸出： 0 0 oe例：給出實現(xiàn)指令例：給出實現(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輸出運算結果輸出運算結果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 浮點運算器浮點運算器n由于浮點運算中階碼運算與尾數運算分別進行，因此由于浮點運算中階碼運算與尾數運算分別進行，因此浮點運算部件應包括浮點運算部件應包括尾

9、數部件尾數部件和和階碼部件階碼部件兩個部分。兩個部分。實現(xiàn)四則運算的浮點運算器實現(xiàn)四則運算的浮點運算器 尾數運算部件尾數運算部件 進行尾數的加減乘除運算。進行尾數的加減乘除運算。 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。其中：暫存操作數。其中r r0 0也稱為累加器，用于存也稱為累加器，用于存 放運算結果。放運算結果。 m mq q：乘商寄存器：乘商寄存器 用于進行乘除運算，用于進行乘除運算，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，實現(xiàn)方法與定點乘、除法器相

10、類似。能，實現(xiàn)方法與定點乘、除法器相類似。 r r1 1具有右具有右 移功能，以實現(xiàn)對階移位。移功能，以實現(xiàn)對階移位。 階碼運算部件階碼運算部件進行階碼的加減運算。進行階碼的加減運算。由寄存器由寄存器e e1 1、e e2 2、階差計數器、階差計數器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中尾數相對應的階碼。中尾數相對應的階碼。 作加減運算時作加減運算時 由階碼運算部件求出階差由階碼運算部件求出階差e ee e1 1e e2 2，并存入階，并存入階差計數器差計數器ecec中，中，ecec可根據符號判斷哪個階碼小

11、，可根據符號判斷哪個階碼小，控制將對應的尾數控制將對應的尾數(r(r0 0或或r r1 1) )進行右移。進行右移。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。 尾數部件作加尾數部件作加/ /減運算，結果存入減運算，結果存入r r0 0。 判別運算結果，進行規(guī)格化。判別運算結果，進行規(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，應將一位時，應將e e1 1與與e e2 2中的