計算機組成原理_2_4.ppt

1、1,第一單元運算器部件,第四講運算器設計及舉例,2,運算器基本功能,完成算術、邏輯運算 +、。 取得操作數(shù) 寄存器組、立即數(shù) 輸出、存放運算結(jié)果 寄存器組、數(shù)據(jù)總線 暫存運算的中間結(jié)果 Q寄存器、移位寄存器,3,運算器基本功能,獲得運算結(jié)果的狀態(tài) C、Z、V、S 理解、響應控制信號,4,全加器電路,Sum = (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) CarryOut = (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) +(A*B*CarryIn) = (B*Carry

2、In) + (A*CarryIn) + (A*B),5,補碼減法,根據(jù)算術運算規(guī)則： a-b=a+(-b) -b的補碼為：將b的各位求反，并加1。 我們可以用加法器實現(xiàn)減法。,加法器,6,32-位被乘數(shù)寄存器， 32 -位ALU, 64-位部分積寄存器 (0-位乘數(shù)寄存器),Product,(Multiplier),Multiplicand,32-bit ALU,Write,Control,32 bits,64 bits,Shift Right,原碼乘法的實現(xiàn) （三）,7,32-位除數(shù)寄存器， 32 -位ALU, 64-位余數(shù)（被除數(shù)）寄存器,除數(shù),32-bit ALU,Write,Contr

3、ol,32 bits,64 bits,左移,除法的實現(xiàn),余數(shù),8,運算器實現(xiàn),ALU完成算術、邏輯運算。 寄存器組存放數(shù)據(jù)和結(jié)果 輔助寄存器完成中間結(jié)果的存放 選通門等控制數(shù)據(jù)通行 需要哪些控制信號？,ALU,9,F X,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,Fs F ALU,目的 寄存器,源 寄存器,選通門,二選通門,選通門,F 1,X,Y,F Y,X F,0,1,0 1,F /Y,Fs OVR Z C,累加器,X X+Y X X-Y, , ,加,減,需要的控制信號： 功能選擇,10,F X,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,Fs ALU,目的 寄存器,源 寄存器,選通門,選通門,選通門,F 1,X,Y,F

4、 Y,X F,0,1,0 1,F /Y,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器： 兩個選通門均變?yōu)槎嗦?送操作數(shù)到ALU處理 接收門送指定累加器。 支持寄存器移位功能： 接收門變?yōu)槿x一，即 分別接收本位/低位/高 位送來的信息送累加器 與外部部件的入出聯(lián)系,11,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,選 通 門,選 通 門,選 通 門,F 1,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器：,12,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,選 通 門,選 通 門,選 通 門,F 1,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器： 兩個選通門均變

5、為多路 送操作數(shù)到ALU處理 接收門送指定累加器。,增加的控制信號： 操作數(shù)來源,13,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,選 通 門,選 通 門,選 通 門,F 1,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器： 兩個選通門均變?yōu)槎嗦?送0還是送1到ALU處理 接收門送每個累加器。 支持寄存器移位功能： 接收門變?yōu)槿x一，即 分別接收本位/低位/高 位送來的信息送累加器,增加的控制信號：結(jié)果處理,14,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,選 通 門,選 通 門,選 通 門,F 1,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器： 兩個選通門均變?yōu)槎嗦?/p>

6、 送0還是送1到ALU處理 接收門送每個累加器。 支持寄存器移位功能： 接收門變?yōu)槿x一，即 分別接收本位/低位/高 位送來的信息送累加器 與外部部件的入出聯(lián)系,輸出,輸入,15,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,選 通 門,選 通 門,選 通 門,F 1,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器： 兩個選通門均變?yōu)槎嗦?送0還是送1到ALU處理 接收門送每個累加器。 支持寄存器移位功能： 接收門變?yōu)槿x一，即 分別接收本位/低位/高 位送來的信息送累加器 與外部部件的入出聯(lián)系,輸出,輸入,16,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,乘商寄存器,選 通

7、門,選 通 門,選 通 門,F 1,Y,Fs OVR Z C,可選擇的完善： 支持硬件乘除運算指令 需要增加一個Q寄存器 該寄存器應能自行移位,選 通 門,送入,輸出,17,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,乘商寄存器,選 通 門,選 通 門,選 通 門,F 1,Y,Fs OVR Z C,可選擇的完善： 支持硬件乘除運算指令 需要增加一個Q寄存器 該寄存器應能自行移位 它應能接收與送出數(shù)據(jù),選 通 門,送入,輸出,18,實現(xiàn)補碼加減運算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,乘商寄存器,選 通 門,選 通 門,選 通 門,F 1,Y,Fs OVR Z C,選擇完善： 支持硬件乘除運算

8、指令 需要增加一個Q寄存器 該寄存器應能自行移位 應能接收與送出數(shù)據(jù)。,選 通 門,送入,輸出,19,二選一,ALU,二選一,三選一,R0,R1,R,三選一,Q,三選一,n,Cy F=0000 OVR F15,Y15Y0,D15D0,C,in,數(shù)據(jù)輸出,數(shù)據(jù)輸入,乘商,通用寄存器,定點運算器部件實例,OE,A,B,Am2901,狀態(tài)輸出,A口 地址,B口 地址,RAM15,RAM0,Q15,Q0,R,S,控制信號,I2 I1 I0,I5 I4 I3,I8 I7 I6,選數(shù)據(jù)源,選操作功能,選結(jié)果安排,20,運算器的控制與操作,ALU支持多種算數(shù)與邏輯運算功能 需要提供運算功能選擇信號 寄存器組

9、含多個累加器 需要提供兩組選擇累加器編號的信號 有多種不同方案組合數(shù)據(jù)送ALU的使用要求 需要提供選擇數(shù)據(jù)組合的信號 運算器內(nèi)寄存器有多種接收數(shù)據(jù)的不同方案 需提供那個寄存器接收，按什么辦法接收的控制信號 累加器與乘商寄存器的移位關系 寄存器最高位與最低位的移入信號需用另外線路提供,21,入出信號及引腳,Y15Y0,D15D0,RAM15,Q15,RAM0,Q0,CP,OE,Cin,Cy F=0 Over F15,運 算 器 部 件,A3A0,B3B0,I8I6 I5I3 I2I0,22,入出信號及引腳,Y15Y0（指示燈顯示）,D15D0（開關撥數(shù)）,RAM15,Q15,RAM0,Q0,CP

10、,OE(已接地),Cin,Cy F=0 Over F15,運 算 器 部 件 4片2901，1片2902,A3A0,B3B0,I8I6 I5I3 I2I0,一片GAL,一片GAL,2個12位的微型開關,SCi,SST,SSH,23,Am2901的控制信號,編碼 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 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

11、Q 111 B 2F F R S D 0,B Q Y,R S,運算器用的GAL20V8的控制信號,GAL1：狀態(tài)寄存器 GAL3：進位入、移位入 SST C Z V S SCi 運算 Cn 運算 Cn 000 C Z V S 00 加 0 減 1 001 Cy ZROV F15 01 加 1 減 0 010 內(nèi)部總線的一位 10 加 C 減 /C 011 1 Z V S 11 方波 方波 100 0 Z V S SSH 左移位 右移位 101 RAM0 Z V S 00 0 X 0 X 110 RAM15 Z V S 01 C X C X 111 Q0 Z V S 10 Q15 /F15 Cy

12、 RAM0 RAM0 Q0 RAM15 Q15,25,控制器提供的控制信號,B55 B48 下地址 B47 B40 B39 B32 備用 CI3CI0 SCC SC 備 SST B31 B24 B23 B16 MIO I8I6 REQ I5I3 WE I2I0 A口 B15 B8 B7 B0 B口 SCi SSH SA DC1 SB DC2,26,教學計算機的運算器概述,教學計算機的運算器的組成與設計 字長16(8)位，用4(2)片4位的位片結(jié)構(gòu)的Am2901組成 1. 要詳細介紹Am2901芯片的內(nèi)部組成和實現(xiàn)的功能 2. 怎樣連接4(2)片Am2901成為16(8)位的運算器 3. 怎樣解

13、決運算器實用中的幾個問題： (1) 如何給出 Am2901最低位的進位輸入信號 (2) 如何處理運算結(jié)果的標志位 (3) 如何處理移位指令、置1 C和清0 C 觸發(fā)器的指令 (4) 如何支持硬件乘法、除法指令 重點是前 2 項內(nèi)容和第 3 項中的 (1) (2) 教學計算機運算器的控制和使用（包括教學實驗）,27,4 位的 Am2901 內(nèi)部組成與功能,組成 算邏運算 部件 1 6 個 累加器 乘商寄存器 Q 5組多路選擇門,功能 8 種 運算功能 8 種 數(shù)據(jù)組合 8 種 結(jié)果處理,28,A L U S R,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,Am2901芯片是一個 4 位的位片

14、結(jié)構(gòu)的運算器器件,內(nèi)部組成講解如下,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 8 種運算功能,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(jié)果為零 結(jié)果溢出 進位輸出,R+S SR RS RS RS RS RS RS,8種運算功能,000 001 010 011 100 101 110 111,3位功能選擇碼,29,B 16個 A 通用寄存器,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,A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(gòu) 成，并

15、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(jù)將送到B、 A鎖存器，要寫 入寄存器的數(shù)據(jù) 由一個多路選擇 器送來。,（寫入）,30,B 16個 A 通用寄存器,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,A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(nèi) 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(jié)果。,31,該芯片的第四個 組成部分是 5 組 多路選通門,包括,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,A L U S R,B鎖存器

16、,A鎖存器,Q寄存器,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,輸入D,A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(jù)來源， 包括：Q寄存器、 A口、 B口數(shù)據(jù)、 外部輸入D數(shù)據(jù) 共 8 種不同組合。,32,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,輸入D,A口地址,B口地址,8種數(shù)據(jù)組合(R,S) AQ AB 0Q 0B 0A DA DQ D0,3位數(shù)據(jù)選擇碼,000 001 010 011 100 101 110 111,一組三選一門和

17、 另一組二選一門 用來選擇送向 ALU的 R、S輸入 端的數(shù)據(jù)來源， 包括：Q寄存器、 A口、 B口數(shù)據(jù)、 外部輸入D數(shù)據(jù) 共 8 種不同組合。,33,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,三選一,三選一,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,輸入D,A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

18、移位信號有雙 向入/出問題。,34,二選一,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,三選一,三選一,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,/OE,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,輸出Y,F3 F=0000 OVR Cn+4,輸入D,A口地址,B口地址,一組二選一門， 選擇把ALU結(jié)果或A口數(shù)據(jù) 送出 芯片，給出輸出Y的數(shù)據(jù)，Y輸出的有無還受使能 信號控制，僅當 /OE為低才有 Y輸出 ，/OE為高 Y輸出為 高阻態(tài),35,8 種結(jié)果處理,3位控制碼 通用寄存器 Q寄存器 Y輸出 000 QF F 001 F 010 BF A 011 BF F 100 BF/2 QF/2 F 101 BF/2 F 110 B2F Q2F F 111 B2F F,36,運算器，三大件 運算暫存乘除快 多路選通連起來,數(shù)據(jù)組合選擇 I2 I1 I0,運算功能選擇 I5 I4 I3,運算結(jié)果處理 I8 I7 I6,運算,暫存,乘除快,數(shù)據(jù)組合有內(nèi)外,運算功能指明白,存移輸出巧安排,多路選通連起來,存移輸出巧安排,存移輸出巧安排,存移輸出巧安排,37,二選一,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,三選