计算机中的运算器部.ppt
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1、第4章,计算机中的运算器部件,本章主要内容,运算器部件概述定点运算器的功能、组成与设计浮点运算与浮点运算器,运算器功能与组成概述,计算机五大功能部件之一,在控制器的指挥控制下,完成指定给它的运算处理功能。运算器通常包括定点运算器和浮点运算器两种类型:定点运算器:完成对整数类型数据的算术运算、逻辑类型数据的逻辑运算浮点运算器:完成对浮点类型数据的算术运算,运算器设计需要解决的问题,需要明确参加运算的数据来源,运算结果的去向。运算器能直接运算的数据,通常来自于运算器本身的寄存器。这些寄存器本身是暂存数据用的,是由触发器构成的时序逻辑电路。需要明确将要执行的运算功能,是对数值数据的何种算术运算功能,
2、还是对逻辑数据的何种逻辑运算功能。完成数据运算功能的线路是组合逻辑电路。运算器完成一次数据运算过程由多个时间段组成,其时序关系示意表示在下图。运算器部件只有和计算机的其他部件连接起来才能协同完成指令的执行过程。,本章主要内容,运算器部件概述定点运算器的功能、组成与设计浮点运算与浮点运算器,定点运算器功能与组成,完成算术与逻辑运算功能算术逻辑单元(ALU)暂存参加运算的数据和中间结果通用寄存器组乘除法运算的硬件线路支持乘商寄存器(Q寄存器)作为处理机内部数据通路(Data Path),通过几组多路选择器电路实现相互连接,以便数据传送。,教学计算机硬件系统的组成,计算机终端,PC机,微程序控制器,
3、运算器(16 位),主存储器(16位),按键 开关 指示灯,串行接口,接口实验 中断实验内存扩展实验,电 源+5V,硬布线控制器,RESET,START按键,运行功能选择开关,两个12位的微型开关,16位的手拨输入开关,微程序控制器小板,串行口接线座,5V直流电源,电源开关,组合逻辑控制器,运算器,内存储器,串口电路,I86 I53 I20 SST SCI SSH A口 B口,教学计算机运算器实例,教学计算机运算器字长16位,用4片4位的位片结构的Am2901组成。Am2901芯片的内部组成和实现的功能怎样连接4片Am2901成为16位的运算器怎样解决运算器实用中的几个问题:(1)运算器最低位
4、进位输入信号 Cin 的形成(2)运算器4位标志位信号的接收与记忆线路(3)移位时最高、最低位的移位输入信号设计,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,F3F=0000OVRCn+4,输入D,A口地址,B口地址,Am2901内部组成,组成算逻运算部件通用寄存器组乘商寄存器 Q功能8种运算功能8种数据组合8种结果处理,A L U S R,Cn,F,F3F=0000OVRCn+4,Am2901芯片是一个 4位的位片结构的运算器器件,其内部组成如下:,第一个组
5、成部分是算逻运算部件ALU,完成 3 种算术运算和 5 种逻辑运算,共计 8 种功能。,其输出为 F,两路输入为 S、R,最低位进位Cn,4个状态输出信号如图所示,符号位结果为零结果溢出进位输出,RSRS,8种运算功能,000001010011100101110111,3位功能选择码,R+SSRRSR SRS,RS,B 16个 A 通用寄存器,A L U S R,B锁存器,A锁存器,Cn,F,F3F=0000OVRCn+4,A口地址,B口地址,第二个组成部分是通用寄存器组由16个寄存器构成,并通过B口与A口地址选择被读的寄存器,B口地址还用于指定写入寄存器,通过B口地址、A口地址读出的数据将送
6、到B、A锁存器,要写入寄存器的数据由一个多路选择器送来。,(写入),B 16个 A 通用寄存器,A L U S R,B锁存器,A锁存器,Q寄存器,Cn,F,F3F=0000OVRCn+4,A口地址,B口地址,第三个组成部分是乘商寄存器Q它能对自己的内容完成左右移位功能,其输出可以送往ALU,并可接收ALU的输出结果。,该芯片的第四个组成部分是 5 组多路选通门,包括,B 16个 A 通用寄存器,三选一,二选一,A L U S R,B锁存器,A锁存器,Q寄存器,Cn,F,F3F=0000OVRCn+4,输入D,A口地址,B口地址,一组三选一门和另一组二选一门用来选择送向ALU的 R、S输入端的数
7、据来源,包括Q寄存器、A口、B口、外部输入D数据的8 种不同组合。,8种数据组合(R,S)AQ AB 0Q 0B 0A DA DQ D0,3位数据选择码,000 001 010 011 100 101 110 111,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,Q寄存器,Cn,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,F3F=0000OVRCn+4,输入D,A口地址,B口地址,一组三选一门完成把ALU的输出、或左移一位、或右移一位的值送往通用寄存器组,最高、最低位移位信号有双向入/出问题,一组三选一门完成Q寄存器的左移一位、或右移一位、或接收A
8、LU输出值的功能,最高、最低位移位信号有双向入/出问题。,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,Q寄存器,Cn,/OE,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,输出Y,F3F=0000OVRCn+4,输入D,A口地址,B口地址,一组二选一门,选择把A口数据或ALU结果送出芯片,以给出输出Y的数据,Y输出的有无还受输出使能/OE信号的控制,仅当/OE为低是才有Y输出,/OE为高,Y输出为高阻态。,8 种结果处理,3位控制码 通用寄存器 Q寄存器 Y输出 000 QF F 001 F 010 BF A 011 BF F 100 BF
9、/2 QQ/2 F 101 BF/2 F 110 B2F Q2Q F 111 B2F F,Am2901的控制信号,编码 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0000 Q F F R+S A Q001 F S R A B 010 B F A R S 0 Q011 B F F R S 0 B100 B F/2 Q Q/2 F RS 0 A101 B F/2 F RS D A110 B 2F Q 2Q F RS D Q111 B 2F F RS D 0,B Q Y,R S,存移输出巧安排,存移输出巧安排,存移输出巧安排,存移输出巧安排,运算器,三大件运算暂存乘除快多路选通连起来,数据组
10、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,多路选通连起来,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,F3F=0000OVRCn+4,输入D,A口地址,B口地址,Am2901内部组成,组成算逻运算部件通用寄存器组乘商寄存器 Q功能8种运算功能8种数据组合8种结果处理,I5I3,I2I0,I8I6,运算器的时钟脉冲信号,运算器的时钟脉冲信号 CP教学计算机的主频:
11、1.8432MH z/6,A、B口锁存,通用寄存器接受,Q 接受,周期,和低电平的作用 注意两个跳变沿,Am2901的操作使用,操作功能,控制信号B口 A口 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 Cn,R0R0+R1,R2R2R0,QR0,右移R0R0+R1,R0R0R1,Y A口,Y F,0000,011,0001,000,001,0,0010,0000,010,001,001,1,0000,101,0001,000,001,0,0000,000,000,100,0,/,0000,010,0001,100,001,0,R0R0R1,Y F,0000,011,0001,100,
12、001,0,入出信号及引脚,Y3Y0,D3D0,RAM3,Q3,RAM0,Q0,CP,OE,Cn,Cn+4F=0OverF3,Am2901,A3A0,B3B0,I8I6,I5I3,I2I0,Y118,Y30,D118,D74,D30,Cin,RAM0,Q0,Y74,4 片Am2901之间的连接,VccR,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,Y1512,Y118,Y74,Y30,D1512,D118,D74,D30,OVER,F=0,F15,Cy,Cin,CP,RAM15,Q15,RA
13、M0,Q0,A口,B口,I86I53I20,VccR,入出信号及引脚,Y15Y0,D15D0,RAM15,Q15,RAM0,Q0,CP,OE,Cin,CyF=0OverF15,运 算 器 部 件,A3A0,B3B0,I8I6 I5I3 I2I0,运算器实用中的几个问题,运算器最低位进位输入信号 Cin 的形成 运算器4位标志位信号的接收与记忆线路 移位时最高、最低位的移位输入信号设计,如何提供ALU最低位进位信号,不同指令需求 Cin 例子最低位进位 控制码ADD指令 0 R0+R1+0 INC指令 1 R0+0+1 ADC指令 C R0+R1+C SUB指令 1 R0+/R1+1 DEC指令
14、 0 R0+/0+0 SBB指令(原理)C R0+/R1+C,加运算,减运算,SCI,最低位进位信号由 SCI 编码决定,000110010010,最低位进位信号Cin的逻辑表达式,Cin=/SCI1*SCI0+SCI1*/SCI0*C,16位的 运算器,16 位运算器最低位进位输入信号Cin,CyF=0OVRF15,RAM15Q15,RAM0Q0,最低位进位 GAL3,SCI,01C,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,如何处理计算结果标志位,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收输入 算术运算指令的结果会影响 C、Z、V、S 逻辑运算指令的结果
15、只影响 Z、S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,会有依据什么指令的什么时刻接收或不接收ALU 输出的标志位的值这样两种处理,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,它们的移位输出要传送进 C,还需要决定寄存器的移位输入是什么值。,C,通 用 寄 存 器,通 用 寄 存 器,C,0,0,RCL,RCR,SHR,SHL,RAM15,RAM0,RAM0,RAM15,对乘除法指令的支持,指令中 MUL SR 指令,DIV SR指令它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),
16、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(即为商),/F15,Q0,Cy,状态寄存器的控制,用3位码控制 有8处来源SST 20 C Z V S000 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 三位不变110 RAM15 三位不变111 Q0 三位不变,状态寄存器的逻辑表达式,C:=/SST2*/SST1*/SST0*C V:=/SST2*/SST1*/SST0*V+/SST2*/SST1*SST0*C
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- 计算机 中的 运算器
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