第三章 第五講 運算器

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

地位：是計算機5大功能部件之一，運算器由算術(shù)邏輯運算單元（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：完成對數(shù)據(jù)算術(shù)或邏輯運算處理

2/1/202331、參加運算的數(shù)據(jù)來源，結(jié)果去向

（1）數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)通常來運算器自本身的寄存器；必須指定數(shù)據(jù)來自哪個寄存器；此外運算數(shù)據(jù)也可來自計算機內(nèi)存儲器或輸入設(shè)備。

（2）結(jié)果去向：指定哪個寄存器來存結(jié)果？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（乘商寄存器）2/1/20234

2、指明運算的種類運算器可以實現(xiàn)算術(shù)、邏輯運算（1）明確是何種運算？（2）明確一個運算周期是由多個時間段的組成。

一個運算周期控制信號的建立寄存器內(nèi)容輸出運算器執(zhí)行運算運算結(jié)果輸出到寄存器寄存器接收結(jié)果2/1/202353、運算器部件只有和計算機的其他部件連接才能協(xié)同完成運算指令的執(zhí)行過程。（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)是通過總線實現(xiàn)的。2/1/20236總結(jié)

運算器部件要實現(xiàn)多種不同的功能，必須由控制器提供控制信號，運算器只是一個被動執(zhí)行部件。

運算器的分類：（1）定點運算器（2）浮點運算器數(shù)據(jù)運算線路（組合邏輯）數(shù)據(jù)暫存線路（時序邏輯）控制信號輸入數(shù)據(jù)2/1/20237

3.4.2定點運算器部件概述主要的知識點：1定點運算器的功能與組成2定點運算器的控制與操作

定點運算器的功能與組成（1）定點運算器主要完成對整型數(shù)據(jù)、邏輯型數(shù)據(jù)的算術(shù)與邏輯運算。算術(shù)與邏輯運算部件稱為ALU。ALU在給出運算結(jié)果的同時；也要將結(jié)果特征信息保存在幾個特定的觸發(fā)器中。（2）運算器的第二項功能，是暫存將參加運算的數(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。2/1/20238（3）為了實現(xiàn)乘除指令運算，運算器中有一個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的專用寄存器。

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

多路選通連起來（指上述的計算機組成的第4項內(nèi)容）。2/1/202392.定點運算器的控制與操作(1)選哪一個（哪些）數(shù)據(jù)參加運算?來自哪里？(2)執(zhí)行何種運算功能?(3)對運算結(jié)果（結(jié)果的值和特征）如何保存與輸出?(4)怎么樣從外部向運算器輸入數(shù)據(jù)?(5)如何正確給出ALU最低位的進位信號？(6)如何給出運算器左右移位操作的移位輸入信號?正確的控制信號和正確的數(shù)據(jù)來源才能保證運算器執(zhí)行規(guī)定的運算功能。2/1/202310總結(jié)：數(shù)據(jù)組合有內(nèi)外：（來自運算器內(nèi)部）（來自運算器外部）。運算功能說明白（ALU執(zhí)行何種運算功能）。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運算器芯片Am2901

主要的知識點Am2901內(nèi)部組成Am2901控制與操作運算的外部數(shù)據(jù)來源2/1/2023121.運算器芯片Am2901內(nèi)部組成

Am2901芯片是一個4位的位片結(jié)構(gòu)的運算器器件，教學(xué)計算機采用16位字長，其運算器的主體部分用4片Am2901芯片級聯(lián)而成。2/1/202313運算器部件：1、運算種類：2、輸出4個結(jié)果的狀態(tài)：

F=0000（結(jié)果為零）;Cn+4;最高位進位；

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

ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4輸出運算結(jié)果最低位進位信號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）、B地址（寄存器編號）指定被讀寫的寄存器。2、寄存器組：由16個4位的通用寄存器組成的寄存器組。

B16個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4位的Q寄存器；主要用于實現(xiàn)乘法、除法指令，能對本身的內(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寄存器進行左右移位操作時，與通用寄存器移位類似的是這里存在Q3和Q0的雙向傳送問題。

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

選擇碼運算功能I5I4I3LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHHR+SS?RR?SRVSRVSR∧SR⊕SR⊕S

Q2/1/202317(2)選擇送入ALU的兩個操作數(shù)據(jù)R和S的組合關(guān)系(數(shù)據(jù)來源).選擇碼數(shù)據(jù)來源I2I1I0R端S端LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHHHHHAA000DDDQBQBAAQ0Q2/1/202318(3)運算結(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運算功能選擇I5I4I3運算結(jié)果處理I8I7I6運算暫存乘除快存移輸出巧安排運算器，三大件運算暫存乘除快多路選通連起來多路選通連起來存移輸出巧安排存移輸出巧安排數(shù)據(jù)組合有內(nèi)外運算功能指明白存移輸出巧安排Q寄存器輸入D

B16個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)與邏輯運算部件

16個累加器乘商寄存器Q5組多路選擇門功能：8種運算功能(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位運算器的操作使用操作功能控制信號B口A口SSTI8~6I5~3I2~0CnSSHR0R0+R1R2R2R0

R0

DATA00000110001000001000001000000110010011010000011****000111//0010010010001SCi00數(shù)據(jù)來源(I2I1I0)數(shù)據(jù)去向(I8I7II6)運算種類(I5I4II3)2/1/202322(1)通過D端接收外部線路來的數(shù)據(jù).(2)正確給出芯片的最低位的進位輸入信號Cn,這需要在Am2901之外用另外的電路解決.(3)左右移位操作過程中的RAM3和RAM0,Q3和Q0的處理：a.當(dāng)左移操作時,RAM3與Q3為輸出,RAM0和Q0為輸入;b.當(dāng)右移操作時,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