計算機中的運算器部件實驗課件

教學計算機硬件系統(tǒng)的組成計算機終端PC機微程序控制器運算器(16位)主存儲器（16位）按鍵開關指示燈串行接口接口實驗中斷實驗內存擴展實驗電源+5V硬布線控制器RESET,START按鍵運行功能選擇開關兩個12位的微型開關16位的手撥輸入開關微程序控制器小板串行口接線座5V直流電源電源開關組合邏輯控制器運算器內存儲器串口電路I8~6I5~3I2~0SSTSCISSHA口B口教學計算機運算器實例教學計算機運算器字長16位，用4片4位的位片結構的Am2901組成。Am2901芯片的內部組成和實現(xiàn)的功能怎樣連接4片Am2901成為16位的運算器怎樣解決運算器實用中的幾個問題：(1)運算器最低位進位輸入信號

Cin

的形成(2)運算器4位標志位信號的接收與記憶線路(3)移位時最高、最低位的移位輸入信號設計二選一B16個A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址Am2901內部組成組成算邏運算部件通用寄存器組乘商寄存器Q功能8種運算功能8種數(shù)據組合8種結果處理ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4Am2901芯片是一個4位的位片結構的運算器器件,其內部組成如下：第一個組成部分是算邏運算部件ALU,完成3種算術運算和5種邏輯運算，共計8種功能。其輸出為F，兩路輸入為S、R，最低位進位Cn，4個狀態(tài)輸出信號如圖所示符號位結果為零結果溢出進位輸出R⊕SR⊕S8種運算功能0000010100111001011101113位功能選擇碼I5I4I3R+SSRRSR?

SRSRSB16個A通用寄存器ALUSRB鎖存器A鎖存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第二個組成部分是通用寄存器組由16個寄存器構成，并通過B口與A口地址選擇被讀的寄存器，B口地址還用于指定寫入寄存器通過B口地址、A口地址讀出的數(shù)據將送到B、A鎖存器，要寫入寄存器的數(shù)據由一個多路選擇器送來。（寫入）B16個A通用寄存器ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第三個組成部分是乘商寄存器Q它能對自己的內容完成左右移位功能，其輸出可以送往ALU，并可接收ALU的輸出結果。該芯片的第四個組成部分是5組多路選通門,包括B16個A通用寄存器三選一二選一ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器CnFF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址一組三選一門和另一組二選一門用來選擇送向ALU的R、S輸入端的數(shù)據來源，包括Q寄存器、A口、B口、外部輸入D數(shù)據的8種不同組合。8種數(shù)據組合(R，S)AQAB0Q0B0ADADQD03位數(shù)據選擇碼000001010011100101110111I2I1I0B16個A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器CnQ3Q0RAM0RAM3FF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址一組三選一門完成把ALU的輸出、或左移一位、或右移一位的值送往通用寄存器組，最高、最低位移位信號有雙向入/出問題一組三選一門完成Q寄存器的左移一位、或右移一位、或接收ALU輸出值的功能，最高、最低位移位信號有雙向入/出問題。二選一B16個A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器Cn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址一組二選一門，選擇把A口數(shù)據或ALU結果送出芯片，以給出輸出Y的數(shù)據，Y輸出的有無還受輸出使能/OE信號的控制，僅當/OE為低是才有Y輸出，/OE為高，Y輸出為高阻態(tài)。8種結果處理3位控制碼通用寄存器Q寄存器Y輸出

000QFF001F010BFA011BFF100BF/2QQ/2F101BF/2F110B2FQ2QF111B2FFI8I7I6Am2901的控制信號編碼

I8I7I6I5I4I3I2I1I0000QFFR+SAQ001FS?RAB010BFAR?S0Q011BFFR?

S0B100BF/2QQ/2FRΛS0A101BF/2FRΛSDA110B2FQ2QFR⊕SDQ111B2FFR⊕SD0BQYRS存移輸出巧安排存移輸出巧安排存移輸出巧安排存移輸出巧安排二選一三選一二選一三選一三選一Q3Q0RAM0RAM3ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4B16個A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址運算器，三大件運算暫存乘除快多路選通連起來數(shù)據組合選擇I2I1I0運算功能選擇I5I4I3運算結果處理I8I7I6運算暫存乘除快數(shù)據組合有內外運算功能指明白多路選通連起來Q寄存器輸入D/OE輸出Y二選一B16個A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址Am2901內部組成組成算邏運算部件通用寄存器組乘商寄存器Q功能8種運算功能8種數(shù)據組合8種結果處理I5~I3I2~I0I8~I6“3+5”運算實例計算步驟將“3”送入寄存器R0將“5”送入寄存器R1R0+R1,結果送入R0“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

0011輸入“3”

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器0011“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I51

11I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器00000011“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

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Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器00110011＋0000“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器00110011“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

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01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器00110011“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器00110011“3+5”運算實例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

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110114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一AB通用寄存器R0=001100110000“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

0101輸入“5”

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器0101“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I51

11I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器00000101“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

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11I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器01010101＋0000“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

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110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器01010101“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器01010101“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器01010101“3+5”運算實例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

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01

110114/OE輸出Y二選一FALUB(R1)A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一AB通用寄存器R1=010101010001“3+5”運算實例——步驟三SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器0101001100010000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5001I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器0101“3+5”運算實例——步驟三001100010000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一000001I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器0101+0011“3+5”運算實例——步驟三100000010000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器“3+5”運算實例——步驟三1000000100001000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器“3+5”運算實例——步驟三1000000100001000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器“3+5”運算實例——步驟三1000000100001000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一AB通用寄存器“3+5”運算實例——步驟三1000000100001000運算器芯片Am2901實例表4.1運算功能選擇說明編碼運算功能I5I4I3LLLR+SLLHS-RLHLR-SLHHR∨SHLLR∧SHLH/R∧SHHLR⊕SHHHR⊙SSRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I54/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址4輸入D

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器運算器芯片Am2901實例HHHLHHHLHLLHHHLLHLHLLLLLI0I1I2編碼表4.2數(shù)據來源選擇說明數(shù)據來源RSAAAADDDQQQBB0000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I0I1I24/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址4輸入D

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個B通用寄存器運算器芯片Am2901實例表4.3數(shù)據處理方式選擇說明編碼處理方式I8I7I6通用寄存器組Q寄存器Y輸出LLLF→QFLLHFLHLF→BALHHF→BFHLLF/2→BQ/2→QFHLHF/2→BFHHL2F→B2Q→QFHHH2F→BF運算器的時鐘脈沖信號運算器的時鐘脈沖信號CP教學計算機的主頻:1.8432MHz/6A、B口鎖存通用寄存器接受Q接受周期和低電平的作用

注意兩個跳變沿Am2901的操作使用操作功能控制信號B口A口I8I7I6I5I4I3I2I1I0CnR0R0+R1R2R2R0QR0右移R0R0+R1R0R0R1YA口YF00000110001000001000100000010001001100001010001000001000000000001000/000001000011000010R0R0R1YF000001100011000010入出信號及引腳Y3~Y0D3~D0RAM3Q3RAM0Q0CPOECnCn+4F=0OverF3Am2901A3~A0B3~B0I8~I6I5~I3I2~I0Am2901Y11~8Y3~0D11~8D7~4D3~0CinRAM0Q0Y7~4高位Am2901Y15~12D15~12OVERF=0F15CyCPRAM15Q15A口B口I8~6I5~3I2~04片Am2901之間的連接Am2901低位Am2901VccR片間高速進位用Am2902高位Am2901Am2901Am2901低位Am2901Am2902Cn+zCn+yCn+x/G/PY15~12Y11~8Y7~4Y3~0D15~12D11~8D7~4D3~0OVERF=0F15CyCinCPRAM15Q15RAM0Q0A口B口I8~6I5~3I2~0VccR入出信號及引腳Y15~Y0D15~D0RAM15Q15RAM0Q0CPOECinCyF=0OverF15運算器部件A3~A0B3~B0I8~I6I5~I3I2~I0運算器實用中的幾個問題運算器最低位進位輸入信號Cin

的形成運算器4位標志位信號的接收與記憶線路移位時最高、最低位的移位輸入信號設計4片Am2901芯片之外的線路設計標志寄存器的接收與保持規(guī)定（見表4.4）表4.4標志寄存器的接收與保持選擇碼SST狀態(tài)位輸入說明CZVS000CZVS4個標志位的值保持不變001CyF=0OVRF15接收ALU的標志位輸出的值010內部總線對應的一位恢復標志位原來的現(xiàn)場值0110ZVS置“0”C，令3個標志位不變1001ZVS置“1”C，令3個標志位不變101RAM0ZVS右移操作，令3個標志位不變110RAM15ZVS左移操作，令3個標志位不變111Q0ZVS聯(lián)合右移，令3個標志位不變4片Am2901芯片之外的線路設計最低位進位輸入信號Cin的形成左右移位時，最高、最低位的移位輸入信號設計表4.5形成最低位進位輸入信號Cin的邏輯2位選擇碼SCI編碼指令Cin取值00ADD,DEC001INC,SUB110ADC,SBBC表4.6最高、最低位的移位輸入信號的形成邏輯2位控制碼SSH編碼左移右移說明RAM0Q0RAM15Q15000×0×通用寄存器邏輯移位01C×C×通用寄存器與C循環(huán)移位10Q15/F15CyRAM0原碼除（左移）乘（右移）11××F15⊕OVRRAM0右移用于補碼乘法如何提供ALU最低位進位信號不同指令需求Cin例子最低位進位控制碼ADD指令0R0+R1+0INC指令1R0+0+1ADC指令CR0+R1+CSUB指令1R0+/R1+1DEC指令0R0+/0+0SBB指令（原理）CR0+/R1+C加運算減運算SCI最低位進位信號由SCI編碼決定000110010010最低位進位信號Cin的邏輯表達式Cin=/SCI1*SCI0+SCI1*/SCI0*C

16位的運算器16位運算器最低位進位輸入信號Cin

CyF=0OVRF15RAM15Q15RAM0Q0最低位進位GAL3SCI01CY15~0D15~0B口A口I8~I0Cin如何處理計算結果標志位算術與邏輯的運算指令結果產生標志位的值該標志位的值只在執(zhí)行運算步驟接收輸入算術運算指令的結果會影響C、Z、V、S

邏輯運算指令的結果只影響

Z、S其他指令或其他執(zhí)行步驟不接受標志位的值由此可見:

若設置標志位寄存器,

會有依據什么指令的什么時刻接收或不接收ALU輸出的標志位的值這樣兩種處理幾條影響C觸發(fā)器的指令指令中有STC（C1）、CLC指令（C0

）指令中有RCL、RCR、SHL、SHR指令，它們的移位輸出要傳送進C，還需要決定寄存器的移位輸入是什么值。C通用寄存器通用寄存器C00RCLRCRSHRSHLRAM15RAM0RAM0RAM15對乘除法指令的支持指令中MULSR指令，DIVSR指令它們的運行用到了移位輸出要傳送進C（還決定寄存器的移位輸入）C通用寄存器通用寄存器Q寄存器乘法，聯(lián)合右移位Q寄存器除法，聯(lián)合左移位/F15Q0Cy狀態(tài)寄存器的控制用3位碼控制有8處來源SST2~0CZVS000不變

三位不變(C,Z,V,S)001接受ALU狀態(tài)輸出（Cy,ZR,OV,F15）010接收內部總線輸出(IB7654)0110三位不變1001三位不變101RAM0三位不變110RAM15三位不變111Q0三位不變狀態(tài)寄存器的邏輯表達式C:=/SST2*/SST1*/SST0*CV:=/SST2*/SST1*/SST0*V+/SST2*/SST1*SST0*Cy+/SST2*/SST1*SST0*OV+/SST2*SST1*/SST0*IB7+/SST2*SST1*/SST0*IB5+SST2*/SST1*/SST0+/SST2*SST1*SST0*V+SST2*/SST1*SST0*RAM0+SST2*V+SST2*SST1*/SST0*RAM15+SST2*SST1*SST0*Q0Z:=/SST2*/SST1*/SST0*ZS:=/SST2*/SST1*/SST0*S+/SST2*/SST1*SST0*ZR+/SST2*/SST1*SST0*F15+/SST2*SST1*/SST0*IB6+/SST2*SST1*/SST0*IB4+/SST2*SST1*SST0*Z+/SST2*SST1*SST0*S+SST2*Z+SST2*S0,1,RAM0Q0,RAM1516位的運算器16位運算器的狀態(tài)寄存器四位標志位GAL1

SSTCZVSCyF=0OVF15來自內部總線IBRAM15Q15RAM0Q0Y15~0D15~0B口A口I8~I0Cin寄存器移位輸入信號

2位控制碼左移(I7)右移(/I7)指令

SSH1~0RAM0Q0RAM15Q15000/0/SHLSHR01C/C/RCLRCR10Q15/F15CyF0DIVMUL實現(xiàn)中，具體移位輸入信號是用SSH編碼和ALU中的結果處理控制信號I7

（移位方向）共同決定的。

左右移位輸入信號邏輯表達式RAM15=/SSH1*SSH0*C+SSH1*/SSH0*CyQ15=SSH1*/SSH0*F0RAM0=/SSH1*SSH0*C+SSH1*/SSH0*Q15Q0=SSH1