第三章 第五講 運(yùn)算器

第五講第3章數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算和運(yùn)算器部件2/1/20231要求：掌握運(yùn)算器部件基本功能掌握定點(diǎn)運(yùn)算器部件組成與控制方法理解運(yùn)算器芯片Am2901組成、控制與操作2/1/202323.4.1運(yùn)算器部件概述運(yùn)算器部件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用

地位：是計(jì)算機(jī)5大功能部件之一，運(yùn)算器由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）、通用或?qū)Ｓ眉拇嫫鹘M以及內(nèi)部總線3部分構(gòu)成。

功能：完成對(duì)數(shù)據(jù)算術(shù)或邏輯運(yùn)算處理

2/1/202331、參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)來(lái)源，結(jié)果去向

（1）數(shù)據(jù)來(lái)源：數(shù)據(jù)通常來(lái)運(yùn)算器自本身的寄存器；必須指定數(shù)據(jù)來(lái)自哪個(gè)寄存器；此外運(yùn)算數(shù)據(jù)也可來(lái)自計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備。

（2）結(jié)果去向：指定哪個(gè)寄存器來(lái)存結(jié)果？輸出、存放運(yùn)算結(jié)果：寄存器組、數(shù)據(jù)總線

暫存運(yùn)算的中間結(jié)果：Q寄存器（乘商寄存器）2/1/20234

2、指明運(yùn)算的種類運(yùn)算器可以實(shí)現(xiàn)算術(shù)、邏輯運(yùn)算（1）明確是何種運(yùn)算？（2）明確一個(gè)運(yùn)算周期是由多個(gè)時(shí)間段的組成。

一個(gè)運(yùn)算周期控制信號(hào)的建立寄存器內(nèi)容輸出運(yùn)算器執(zhí)行運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果輸出到寄存器寄存器接收結(jié)果2/1/202353、運(yùn)算器部件只有和計(jì)算機(jī)的其他部件連接才能協(xié)同完成運(yùn)算指令的執(zhí)行過(guò)程。（1）接收其他部件的輸入數(shù)據(jù)；（2）向其他部件輸出數(shù)據(jù)；（3）輸入輸出數(shù)據(jù)是通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)的。2/1/20236總結(jié)

運(yùn)算器部件要實(shí)現(xiàn)多種不同的功能，必須由控制器提供控制信號(hào)，運(yùn)算器只是一個(gè)被動(dòng)執(zhí)行部件。

運(yùn)算器的分類：（1）定點(diǎn)運(yùn)算器（2）浮點(diǎn)運(yùn)算器數(shù)據(jù)運(yùn)算線路（組合邏輯）數(shù)據(jù)暫存線路（時(shí)序邏輯）控制信號(hào)輸入數(shù)據(jù)2/1/20237

3.4.2定點(diǎn)運(yùn)算器部件概述主要的知識(shí)點(diǎn)：1定點(diǎn)運(yùn)算器的功能與組成2定點(diǎn)運(yùn)算器的控制與操作

定點(diǎn)運(yùn)算器的功能與組成（1）定點(diǎn)運(yùn)算器主要完成對(duì)整型數(shù)據(jù)、邏輯型數(shù)據(jù)的算術(shù)與邏輯運(yùn)算。算術(shù)與邏輯運(yùn)算部件稱為ALU。ALU在給出運(yùn)算結(jié)果的同時(shí)；也要將結(jié)果特征信息保存在幾個(gè)特定的觸發(fā)器中。（2）運(yùn)算器的第二項(xiàng)功能，是暫存將參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，由其內(nèi)部的一組寄存器承擔(dān)，稱通用寄存器，該寄存器可由程序員直接訪問(wèn)。2/1/20238（3）為了實(shí)現(xiàn)乘除指令運(yùn)算，運(yùn)算器中有一個(gè)可自行左右移位的專用寄存器——Q寄存器（乘商寄存器），不能被匯編程序員訪問(wèn)的專用寄存器。

（4）上述部件通過(guò)幾組多路選擇器電路實(shí)現(xiàn)相互連接，以便數(shù)據(jù)傳送。（5）運(yùn)算器還要與計(jì)算機(jī)其他幾個(gè)功能部件連接在一起協(xié)同運(yùn)行，這就必須有接受外部數(shù)據(jù)輸入和輸出運(yùn)算結(jié)果的邏輯電路。運(yùn)算器通常還作為處理機(jī)內(nèi)部傳送數(shù)據(jù)的重要通路?？偨Y(jié)運(yùn)算器，3大件（指上述的運(yùn)算器組成的前3個(gè)部件），運(yùn)算、暫存、乘除快（指運(yùn)算組成的前3個(gè)部件各自承擔(dān)的主要功能），

多路選通連起來(lái)（指上述的計(jì)算機(jī)組成的第4項(xiàng)內(nèi)容）。2/1/202392.定點(diǎn)運(yùn)算器的控制與操作(1)選哪一個(gè)（哪些）數(shù)據(jù)參加運(yùn)算?來(lái)自哪里？(2)執(zhí)行何種運(yùn)算功能?(3)對(duì)運(yùn)算結(jié)果（結(jié)果的值和特征）如何保存與輸出?(4)怎么樣從外部向運(yùn)算器輸入數(shù)據(jù)?(5)如何正確給出ALU最低位的進(jìn)位信號(hào)？(6)如何給出運(yùn)算器左右移位操作的移位輸入信號(hào)?正確的控制信號(hào)和正確的數(shù)據(jù)來(lái)源才能保證運(yùn)算器執(zhí)行規(guī)定的運(yùn)算功能。2/1/202310總結(jié)：數(shù)據(jù)組合有內(nèi)外：（來(lái)自運(yùn)算器內(nèi)部）（來(lái)自運(yùn)算器外部）。運(yùn)算功能說(shuō)明白（ALU執(zhí)行何種運(yùn)算功能）。存、移、輸出巧安排（保存結(jié)果），（有移位操作）、（什么內(nèi)容）。

2/1/2023113.4.3運(yùn)算器芯片Am2901

主要的知識(shí)點(diǎn)Am2901內(nèi)部組成Am2901控制與操作運(yùn)算的外部數(shù)據(jù)來(lái)源2/1/2023121.運(yùn)算器芯片Am2901內(nèi)部組成

Am2901芯片是一個(gè)4位的位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器器件，教學(xué)計(jì)算機(jī)采用16位字長(zhǎng)，其運(yùn)算器的主體部分用4片Am2901芯片級(jí)聯(lián)而成。2/1/202313運(yùn)算器部件：1、運(yùn)算種類：2、輸出4個(gè)結(jié)果的狀態(tài)：

F=0000（結(jié)果為零）;Cn+4;最高位進(jìn)位；

OVR（溢出；F3（符號(hào)）R+S、S-R、R-S，R∨S、R∧S、R∧S、R⊕S、R⊕S

ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4輸出運(yùn)算結(jié)果最低位進(jìn)位信號(hào)2/1/202314（1）、雙端口（A口和B口）控制讀出；（2）、單端口（B口）控制寫入的部件。（3）、A地址（寄存器編號(hào)）、B地址（寄存器編號(hào)）指定被讀寫的寄存器。2、寄存器組：由16個(gè)4位的通用寄存器組成的寄存器組。

B16個(gè)A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址Q寄存器3、一個(gè)4位的Q寄存器；主要用于實(shí)現(xiàn)乘法、除法指令，能對(duì)本身的內(nèi)容完成左、右移位功能，能接受ALU的輸出，輸出送到ALU的輸入端。

2/1/202315二選一三選一二選一三選一三選一Q3Q0RAM0RAM3Q寄存器

B16個(gè)A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4輸入D/OE輸出Y二選一器件：A口數(shù)據(jù)、ALU的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)）選送出芯片標(biāo)記為Y的輸出端；

二選一器件：D輸入端或者A鎖存輸出送到ALU的R輸入端；

三選一器件：用于選擇通用寄存器組的雙路讀出信息A和B，乘商寄存器Q的信息，以形成ALU的兩路輸入中的S的來(lái)源；三選一器件：ALU的輸出結(jié)果左移一位的值、右移一位的值中選擇其一，作為通用寄存器的寫入信息，實(shí)現(xiàn)通用寄存器接收及移位功能。

三選一器件，用于選擇Q寄存器左右移位的內(nèi)容，或ALU的輸出結(jié)果，送入Q寄存器。在Q寄存器進(jìn)行左右移位操作時(shí)，與通用寄存器移位類似的是這里存在Q3和Q0的雙向傳送問(wèn)題。

2/1/2023162.Am2901的控制與操作(1)選擇ALU的8種運(yùn)算(3種算術(shù)運(yùn)算,5種邏輯運(yùn)算)功能中的一種,這可通過(guò)提供3位功能選擇碼I5,I4,I3實(shí)現(xiàn)

選擇碼運(yùn)算功能I5I4I3LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHHR+SS?RR?SRVSRVSR∧SR⊕SR⊕S

Q2/1/202317(2)選擇送入ALU的兩個(gè)操作數(shù)據(jù)R和S的組合關(guān)系(數(shù)據(jù)來(lái)源).選擇碼數(shù)據(jù)來(lái)源I2I1I0R端S端LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHHHHHAA000DDDQBQBAAQ0Q2/1/202318(3)運(yùn)算結(jié)果或有關(guān)數(shù)據(jù)以什么方式送往何處,這主要指通過(guò)寄存器組和Q寄存器執(zhí)不執(zhí)行接收操作或移位操作,以及向芯片的輸出信息端Y提供的是什么內(nèi)容.選擇碼處理方式

I8I7I6通用寄存器組Q寄存器Y輸出

LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHH

F→BF→BF/2→BF/2→B2F→B2F→BF→Q

Q/2→Q2Q→Q

FFAFFFFF

Q2/1/202319Q3Q0RAM0RAM3ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4數(shù)據(jù)組合選擇I2I1I0運(yùn)算功能選擇I5I4I3運(yùn)算結(jié)果處理I8I7I6運(yùn)算暫存乘除快存移輸出巧安排運(yùn)算器，三大件運(yùn)算暫存乘除快多路選通連起來(lái)多路選通連起來(lái)存移輸出巧安排存移輸出巧安排數(shù)據(jù)組合有內(nèi)外運(yùn)算功能指明白存移輸出巧安排Q寄存器輸入D

B16個(gè)A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址二選一三選一二選一三選一三選一/OE輸出Y2/1/202320組成：算術(shù)與邏輯運(yùn)算部件

16個(gè)累加器乘商寄存器Q5組多路選擇門功能：8種運(yùn)算功能(I5,I4,I3)8種數(shù)據(jù)組合(I2,I1,I0)8種結(jié)果處理(I8,I7,I6)Am2901內(nèi)部組成2/1/20232116位運(yùn)算器的操作使用操作功能控制信號(hào)B口A口SSTI8~6I5~3I2~0CnSSHR0R0+R1R2R2R0

R0

DATA00000110001000001000001000000110010011010000011****000111//0010010010001SCi00數(shù)據(jù)來(lái)源(I2I1I0)數(shù)據(jù)去向(I8I7II6)運(yùn)算種類(I5I4II3)2/1/202322(1)通過(guò)D端接收外部線路來(lái)的數(shù)據(jù).(2)正確給出芯片的最低位的進(jìn)位輸入信號(hào)Cn,這需要在Am2901之外用另外的電路解決.(3)左右移位操作過(guò)程中的RAM3和RAM0,Q3和Q0的處理：a.當(dāng)左移操作時(shí),RAM3與Q3為輸出,RAM0和Q0為輸入;b.當(dāng)右移操作時(shí),RAM0和Q0為輸出,RAM3和Q3為輸入;這是由I8和I7共同控制的.這幾個(gè)外部信息的接收與送入,需要在AM2901芯片之外用另外的電路解決.3.外部數(shù)據(jù)2/1/20232