計(jì)算機(jī)組成原理_2_4.ppt

1、1,第一單元運(yùn)算器部件,第四講運(yùn)算器設(shè)計(jì)及舉例,2,運(yùn)算器基本功能,完成算術(shù)、邏輯運(yùn)算 +、。 取得操作數(shù) 寄存器組、立即數(shù) 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、移位寄存器,3,運(yùn)算器基本功能,獲得運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài) C、Z、V、S 理解、響應(yīng)控制信號(hào),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(bǔ)碼減法,根據(jù)算術(shù)運(yùn)算規(guī)則： a-b=a+(-b) -b的補(bǔ)碼為：將b的各位求反，并加1。 我們可以用加法器實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn),余數(shù),8,運(yùn)算器實(shí)現(xiàn),ALU完成算術(shù)、邏輯運(yùn)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(mén)等控制數(shù)據(jù)通行 需要哪些控制信號(hào)？,ALU,9,F X,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算的邏輯電路,Fs F ALU,目的 寄存器,源 寄存器,選通門(mén),二選通門(mén),選通門(mén),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(hào)： 功能選擇,10,F X,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算的邏輯電路,Fs ALU,目的 寄存器,源 寄存器,選通門(mén),選通門(mén),選通門(mén),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(gè)選通門(mén)均變?yōu)槎嗦?送操作數(shù)到ALU處理 接收門(mén)送指定累加器。 支持寄存器移位功能： 接收門(mén)變?yōu)槿x一，即 分別接收本位/低位/高 位送來(lái)的信息送累加器 與外部部件的入出聯(lián)系,11,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,選 通 門(mén),選 通 門(mén),選 通 門(mén),F 1,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器：,12,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算的邏輯電路,ALU,通用寄存器組,選 通 門(mén),選 通 門(mén),選 通 門(mén),F 1,Fs OVR Z C,必要完善： 單累加器變多累積器： 兩個(gè)選通門(mén)均變

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

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

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

8、指令 需要增加一個(gè)Q寄存器 該寄存器應(yīng)能自行移位 應(yīng)能接收與送出數(shù)據(jù)。,選 通 門(mén),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(diǎn)運(yùn)算器部件實(shí)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(hào),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(yùn)算器的控制與操作,ALU支持多種算數(shù)與邏輯運(yùn)算功能 需要提供運(yùn)算功能選擇信號(hào) 寄存器組

9、含多個(gè)累加器 需要提供兩組選擇累加器編號(hào)的信號(hào) 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(hào) 運(yùn)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(gè)寄存器接收，按什么辦法接收的控制信號(hào) 累加器與乘商寄存器的移位關(guān)系 寄存器最高位與最低位的移入信號(hào)需用另外線路提供,21,入出信號(hào)及引腳,Y15Y0,D15D0,RAM15,Q15,RAM0,Q0,CP,OE,Cin,Cy F=0 Over F15,運(yùn) 算 器 部 件,A3A0,B3B0,I8I6 I5I3 I2I0,22,入出信號(hào)及引腳,Y15Y0（指示燈顯示）,D15D0（開(kāi)關(guān)撥數(shù)）,RAM15,Q15,RAM0,Q0,CP

10、,OE(已接地),Cin,Cy F=0 Over F15,運(yùn) 算 器 部 件 4片2901，1片2902,A3A0,B3B0,I8I6 I5I3 I2I0,一片GAL,一片GAL,2個(gè)12位的微型開(kāi)關(guān),SCi,SST,SSH,23,Am2901的控制信號(hào),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(yùn)算器用的GAL20V8的控制信號(hào),GAL1：狀態(tài)寄存器 GAL3：進(jìn)位入、移位入 SST C Z V S SCi 運(yùn)算 Cn 運(yùn)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(hào),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(xué)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器概述,教學(xué)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器的組成與設(shè)計(jì) 字長(zhǎng)16(8)位，用4(2)片4位的位片結(jié)構(gòu)的Am2901組成 1. 要詳細(xì)介紹Am2901芯片的內(nèi)部組成和實(shí)現(xiàn)的功能 2. 怎樣連接4(2)片Am2901成為16(8)位的運(yùn)算器 3. 怎樣解

13、決運(yùn)算器實(shí)用中的幾個(gè)問(wèn)題： (1) 如何給出 Am2901最低位的進(jìn)位輸入信號(hào) (2) 如何處理運(yùn)算結(jié)果的標(biāo)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(diǎn)是前 2 項(xiàng)內(nèi)容和第 3 項(xiàng)中的 (1) (2) 教學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器的控制和使用（包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)）,27,4 位的 Am2901 內(nèi)部組成與功能,組成 算邏運(yùn)算 部件 1 6 個(gè) 累加器 乘商寄存器 Q 5組多路選擇門(mén),功能 8 種 運(yùn)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(gè) 4 位的位片

14、結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器器件,內(nèi)部組成講解如下,第一個(gè)組成部分是算邏運(yùn)算部件ALU，完成 3 種算術(shù)運(yùn)算 和 5 種邏輯運(yùn)算 ，共 8 種運(yùn)算功能,其輸出為 F， 兩路輸入為 S、R，最低位進(jìn)位Cn， 4 個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào),如圖所示,符號(hào)位 結(jié)果為零 結(jié)果溢出 進(jìn)位輸出,R+S SR RS RS RS RS RS RS,8種運(yùn)算功能,000 001 010 011 100 101 110 111,3位功能選擇碼,29,B 16個(gè) 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(gè)組成部分 是通用寄存器組 由16個(gè)寄存器構(gòu) 成，并

15、通過(guò)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(xiě)入寄存器,通過(guò)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(xiě) 入寄存器的數(shù)據(jù) 由一個(gè)多路選擇 器送來(lái)。,（寫(xiě)入）,30,B 16個(gè) 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(gè)組成部分 是乘商寄存器Q 它能對(duì)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(gè) 組成部分是 5 組 多路選通門(mén),包括,B 16個(gè) 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(mén)和 另一組二選一門(mén) 用來(lái)選擇送向 ALU的 R、S輸入 端的數(shù)據(jù)來(lái)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(gè) 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(mén)和

17、 另一組二選一門(mén) 用來(lái)選擇送向 ALU的 R、S輸入 端的數(shù)據(jù)來(lái)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(gè) 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(mén) 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(hào)有 雙向入/出問(wèn)題,一組三選一門(mén) 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(hào)有雙 向入/出問(wèn)題。,34,二選一,B 16個(gè) 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(mén)， 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(wú)還受使能 信號(hào)控制，僅當(dāng) /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(yùn)算器，三大件 運(yùn)算暫存乘除快 多路選通連起來(lái),數(shù)據(jù)組合選擇 I2 I1 I0,運(yùn)算功能選擇 I5 I4 I3,運(yùn)算結(jié)果處理 I8 I7 I6,運(yùn)算,暫存,乘除快,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,多路選通連起來(lái),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(gè) A 通用寄存器,三選一,二選一,三選