组成第六讲--运算器概要
组成原理实验课件--运算器
31
教学机运算器控制信号汇总
数据组合（ I2 I1 I0 ）
3位
功能代码（ I5 I4 I3 ）
3位
结果处理（ I8 I7 I6 ）
3位
A口地址
4位
B口地址
4位
状态寄存器接收信号（SST） 3位
移位控制信号（SSH）
和最低位进位控制信号（SCI） 3位
23位
32
16 位运算器的完整组成
SST
C
Z
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
12
B锁存器 A锁存器
B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址 （写入）
三选一
RAM3
RAM0
也可称为移位器
该寄存器组的写入，只能用B 地址实现，写入数 据是ALU的输出经三选一门（移位器）送到寄存 器组的输入端。移位器可执行直送、左移一位、 右移一位的操作，使加减等运算和移位操作可在 同一操作步骤中完成。
片间高A速m进29位02用 Am2902
Cin
Cn+z Cn+y Cn+x
Y7~4
/G
/P
Y3~0
Am2901
Am2901
低位
RAM0
Am2901
Q0
D11~8
D7~4
D3~0
22
Am2901完成功能需要的控制信号
数据组合（ I2 I1 I0 ） 功能代码（ I5 I4 I3 ） 结果处理（ I8 I7 I6 ） A口地址 B口地址 最低位进位控制信号（SCI） 移位控制信号（SSH） 状态寄存器接收信号（SST）
V
S
1
0
计算机组成原理 运算器实验原理
运算器组成实验
一、实验目的
1.掌握算术逻辑运算加、减、乘的工作原理。
2.熟悉简单运算器的数据传送通路。
3.验证试验台运算器的8位加、减、乘直通功能。
二、实验电路（注明每一个部件即每一个信号作用）
1.M1(M2):当M1=1时，允许对操作数寄存器DR1从数据总线DBUS 接收数据，当M1=0时允许操作数寄存器DR1从寄存器堆RF接收数据。
2.S1,S2,S0:选择运算器ALU的运算类型。
3.LDDR1，（LDDR2）：为1时，允许对操作数寄存器DR1加载，此信号也可用于对操作数据的加载。
三、实验内容
四、实验步骤
1、加法操作：
实验结果：
2、减法操作
试验结果：
3、乘法实验：
结果：
五实验心得体会
通过本次实验已基本掌握运算器的逻辑加减、乘的实验原理，通过理论的学习之后，势必要通过实验的实践，才能对理论有更加的深入了解，理论与实践是相辅相成的，用实验检验理论的掌握程度。
5 运算器
附加 加法器
δ
D寄存器
Xe
Xn
X
为加减运算标记触发器， 为溢出标记触发器， GA、 GS 为加减运算标记触发器，V为溢出标记触发器，α两个操作 数的符号（1同、0异），δ 控制加减法步骤。 数的符号（ ），δ 控制加减法步骤。
二、浮点乘法、除法运算器的硬件组成 浮点乘法、 1、浮点乘除运算步骤 、 （1）阶码相加减（2）尾数乘除（3）规格化（4）舍入（5）溢出判断 ）阶码相加减（ ）尾数乘除（ ）规格化（ ）舍入（ ） 2、浮点乘、除法运算器逻辑电路图 、浮点乘、除法运算器逻辑电路图
§ 5 · 3 浮点运算器
一、浮点加、减法运算器 浮点加、 1、浮点加减运算步骤 、 （1）对阶（2）尾数求和（3）规格化（4）舍入（5）溢出判断 ）对阶（ ）尾数求和（ ）规格化（ ）舍入（ ） 2、浮点加、减法运算器逻辑电路图 、浮点加、减法运算器逻辑电路图
GA α GS V C寄存器 Ae An m位 并行加法器 A
2、双总线结构
A 运算过程 L 锁存器 （1）将操作数 、 通用寄存器 ）将操作数1、 U 操作数2分别从总 操作数 分别从总 线1、总线 送入 、总线2送入 ALU，并存结果于锁存器。 ，并存结果于锁存器。 （2）从锁存器中取出结果送入目标空间。 ）从锁存器中取出结果送入目标空间。 特点 速度比较快 状态标志寄存器
Qm ρ 附加 加法器 C寄存器 Ae An m位并行加 法器及控制 线路 D寄存器 Xe Xn X A MQ寄存器
τ
Qm（Qd）为浮点乘（ Qm（Qd）为浮点乘（除）法标记触发器，τ为主周期计数器； 法标记触发器， 为主周期计数器； 为节拍计数器。 ρ为节拍计数器。
§ 5 · 4 改善和增加运算器功能的几种硬件实现
运算器名词解释
运算器名词解释运算器是用于计算数字和表达式的计算机硬件设备。
简单地说，利用运算器，可以进行加、减、乘、除以及进行更复杂的数学和逻辑运算。
它也可以以数值形式存储和处理数据，因此又可以将其归类为数据处理器。
运算器可以是独立的计算机，也可以是作为计算机系统的一部分而存在的。
运算器的使用方式也可以有所不同，是全自动的，比如计算机，还是手动的，比如四则运算器，也可以是混合的两者。
2.算器的种类运算器的种类很多，大致可以分为四类：（1）四则运算器：这是最常见的一类运算器，它用于简单的加减乘除四则运算，通常使用计算机进行运算，但也可以使用手动运算器。
（2）函数运算器：这类运算器专门用于计算各种数学函数，包括三角函数、指数函数等，通常有大型和小型两种结构，其中小型的函数运算器一般出现在计算机键盘上。
（3）科学运算器：这类运算器用于求解特殊函数，比如高等数学函数等，也可以用来解决复杂的问题，如求衍生、积分等。
（4）数据处理运算器：这类运算器是最为复杂的一种，它可以对各种数据进行处理，例如算术运算、统计分析、曲线拟合等。
它也可以模拟计算机运算，如编程、流程控制等。
3.何使用运算器运算器的使用方法取决于运算器类型：（1）四则运算器的使用方法：如果使用的是计算机四则运算器，只需将要计算的数字和符号输入后，按下“等号”键，即可显示运算结果；如果使用的是手动四则运算器，则需要一步一步逐位地计算，并按下相应的运算符号来进行计算，最终显示出结果。
（2）函数运算器的使用方法：如果使用的是键盘函数运算器，首先需要选择要进行的函数运算，并输入参数后，按下“等号”按钮，即可显示运算结果；而如果使用的是大型函数运算器，则需要先选择要运算的函数，然后将参数录入进去，按下“计算”键，即可显示运算结果。
（3）科学运算器的使用方法：与函数运算器的使用方法基本相同，但比函数运算器更加复杂，可进行更复杂的运算，比如求衍生、求积分等。
（4）数据处理运算器的使用方法：它的使用方法和科学运算器类似，但是需要更多的参数和更复杂的运算，比如编程、状态控制等。
计算机组成原理运算器移位器控制器
计算机组成原理运算器移位器控制器1.运算器运算器是计算机中负责执行算术和逻辑运算的部件。
其主要功能是进行加法、减法、乘法、除法等运算，并且可以进行逻辑运算如与、或、非等操作。
一般来说，运算器由算术逻辑单元（ALU）和寄存器组成。
算术逻辑单元包括了算术运算电路和逻辑运算电路。
算术运算电路负责实现加法、减法、乘法等运算，而逻辑运算电路则负责实现与、或、非等逻辑运算。
2.移位器移位器是计算机中负责实现数据移位的部件。
数据移位是将二进制数的位进行移动的操作，分为逻辑移位和算术移位两种。
逻辑移位是指将二进制数按照指定方向进行移位，空出的位补0或删除多余位。
算术移位则是在逻辑移位的基础上，保留最高位的符号位。
在计算机中，移位操作可以通过位移电路来实现。
位移电路一般包括了多个触发器和逻辑门，根据控制信号来实现不同的移位操作。
3.控制器控制器是计算机中负责指挥和协调各个硬件部件工作的部件。
其主要功能是根据指令的执行流程，生成控制信号来控制各个硬件部件的工作。
一般来说，控制器由时序电路和控制存储器组成。
时序电路负责生成时序信号，即根据时钟信号的变化来确定各个操作的时机。
控制存储器则用来存储指令执行的顺序和所需的控制信号。
控制器通过读取有关指令的信息，对相应的硬件部件发出控制信号，根据指令的要求完成相应的操作。
总结起来，运算器、移位器和控制器是计算机中三个重要的功能模块。
运算器负责执行算术和逻辑运算，移位器负责数据移位操作，而控制器负责协调和控制各个硬件部件的工作。
这三个模块的协同工作使得计算机能够完成各种复杂的任务，实现计算、逻辑运算和控制等功能。
计算机组成原理—运算方法和运算器-6
规则：尾数右移1位，高位补符号位，阶码加1
例如：10.011101×2-110 右规后11.001110（1）×2-111 ②补码结果是00.0...01.....或11.1...10...时，需向左规格化（左规） 规则：尾数左移1位，低位补0，阶码减1，直到规格化 规格化：原码尾数值最高位为1，补码尾数值最高位与符号相反
2014-4-14
计算机组成原理
12
21:06
2.6.2 浮点乘法、除法运算
补码采用双符号位，为了对溢出进行判断：
00 01 为正 上溢 11 10 为负 下溢
[例]：x=＋011,y=＋110,求[x＋y]补和[x－y]补,并判断是否溢出 [x]补=00011, [y]补=00110, [－y]补=11010 [x＋y]补=[x]补＋[y]补=01001, 结果上溢。 [x－y]补=[x]补＋[－y]补=11101, 结果正确,为－3。
2014-4-14 计算机组成原理 17
21:06
2.6.1 浮点加法、减法运算
⑸舍入处理（对阶和向左规格化时）：采用就近舍入处理得
00.11100011
⑹溢出判断和处理 阶码符号位为00，无溢出，不需处理； 尾数无溢出，不需处理。 最终真值结果为：x+y = (0.11100011)×24
设有两个浮点数x和y：x＝2Ex· Mx 则：x×y＝2(Ex＋Ey)· (Mx×My)； 乘/除运算分为六步: y＝2Ey· My x÷y＝2(Ex－Ey)· (Mx÷My)；
①.0操作数检查； ②.阶码加减操作； ③.尾数乘除操作；
④.结果规格化；
⑤舍入处理； ⑥确定符号
Mx=111101101；
运算器的组成
运算器的组成
运算器是计算机中的核心组成部分之一，它主要用于执行各种算术和逻辑操作。
运算器通常由两个主要部分组成：算术逻辑单元（ALU）和寄存器文件。
算术逻辑单元是运算器的主要部分之一，它可以执行各种算术和逻辑运算，例如加、减、乘、除、与、或、非等。
ALU通常由各种逻辑门组成，例如加法器、
逻辑门、移位器等等。
这些逻辑门可以接收来自寄存器文件的数据，并对其执行
各种操作。
寄存器文件是运算器的另一个主要部分，它用于存储和管理计算机中的数据。
寄存器文件通常由多个寄存器组成，每个寄存器都可以存储一个特定大小的数据。
这些数据可以是数字、字母、符号等等。
寄存器文件可以接收来自内存或其他设备的数据，并将其存储在寄存器中，以便ALU对其执行操作。
除了ALU和寄存器文件，运算器还可以包括其他部分，例如时钟、控制单元等。
时钟用于同步运算器的各个部分，以确保它们可以按照正确的顺序执行操作。
控制单元用于控制运算器的各个部分，以确保它们可以按照正确的方式执行操作。
总之，运算器是计算机中非常重要的一个组成部分，它主要用于执行各种算术和逻辑操作。
运算器通常由算术逻辑单元和寄存器文件组成，以及其他部分例如时钟和控制单元等。
组成运算器的部件
组成运算器的部件
运算器是一种计算机硬件，用于执行算术和逻辑计算。
在现代计算机中，运算器通常由多个部件组成，其中包括以下几个部分：
1. 寄存器：用于存储和处理数据的临时存储器。
寄存器通常是非常快速的，因此它们用于存储运算器正在处理的数据。
2. 算术逻辑单元(ALU)：执行算术和逻辑运算的部件。
ALU通常包括加、减、乘、除等操作，并且还可以执行逻辑运算，如与、或、非等。
3. 控制单元：控制运算器的操作的部件。
控制单元通常解释指令，以确定如何操作ALU和其他部件。
4. 输入输出单元(I/O)：用于与计算机的外部环境进行通信的部件，例如键盘、显示器、打印机等。
I/O单元与计算机的主要功能不同，但它们仍然是运算器的重要组成部分。
这些组成部分形成了一个完整的运算器，可以用于执行各种计算和处理任务。
对于现代计算机而言，运算器是非常重要的组件之一，因为它可以处理大量的数据并执行各种复杂的任务。
- 1 -。
《计算机组成原理》运算器实验报告(总结报告范文模板)
《计算机组成原理》运算器实验报告实验目录：一、实验1 Quartus Ⅱ的使用（一）实验目的（二）实验任务（三）实验要求（四）实验步骤（五）74138、74244、74273的原理图与仿真图二、实验2 运算器组成实验（一）实验目的（二）实验任务（三）实验要求（四）实验原理图与仿真图三、实验3 半导体存储器原理实验（一）实验目的（二）实验要求（三）实验原理图与仿真图四、实验4 数据通路的组成与故障分析实验（一）实验目的（二）实验电路（三）实验原理图与仿真图五、本次实验总结及体会：一、实验1 Quartus Ⅱ的使用（一）实验目的1.掌握Quartus Ⅱ的基本使用方法。
2.了解74138（3：8）译码器、74244、74273的功能。
3.利用Quartus Ⅱ验证74138（3：8）译码器、74244、74273的功能。
（二）实验任务1、熟悉Quartus Ⅱ中的管理项目、输入原理图以及仿真的设计方法与流程。
2、新建项目，利用原理编辑方式输入74138、74244、74273的功能特性，依照其功能表分别进行仿真，验证这三种期间的功能。
（三）实验要求1.做好实验预习，掌握74138、74244、74273的功能特性。
2.写出实验报告，内容如下：（1）实验目的；（2）写出完整的实验步骤；（3）画出74138、74244和74273的仿真波形，有关输入输出信号要标注清楚。
（四）实验步骤1.新建项目：首先一个项目管理索要新建的各种文件，在Quartus Ⅱ环境下，打开File，选择New Project Wizard后，打开New Project Wizard：Introduction窗口，按照提示创建新项目，点击“Next”按钮，再打开的窗口中输入有关的路径名和项目名称后，按“Finish”按钮，完成新建项目工作。
2.原理图设计与编译：原理图的设计与编译在Compile Mode（编译模式）下进行。
2.1．新建原理图文件打开File菜单，选择New，打开“新建”窗口。
6第六讲_中央处理器(1-4)_指令周期
指令周期
用方框图语言表示指令周期 在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的指令周 期。 一个方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种 控制。 一个菱形符号代表某种判别或测试，不过时间上它依附于它前面一个 方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。 符号“~”代表一个公操作。
21
c
指令寄存器 IR
000 000024 021 地址寄存器AR
JMP 21
c
缓冲寄存器DR 数据总线DBUS
地址总线ABUS
注意 执行“JMP 21”指令时，我们此处所给的四条指 令组成的程序进入了死循环，除非人为停机，否则这 个程序将无休止地运行下去，因而内存单元40中的和 数将一直不断地发生变化。 当然，我们此处所举的转移地址21是随意的，仅仅用来 说明转移指令能够改变程序的执行顺序而已。
—分析指令
—按指令规定内容执行指令
不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大
—检查有无中断请求
若无，则转入下一条指令的执行过程
形 成 下 一 条 指 令 地 址
指令周期的基本概念
1. 指令周期：CPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列 的操作，这一系列操作所需用的时间通常叫做一个指令 周期。 2. 机器周期：机器周期也称为CPU周期。通常用内存中读取 一个指令字的最短时间来规定CPU周期。指令周期常常用 若干个CPU周期数来表示，
第五章 中央处理器
CPU的功能和组成 指令周期
CPU的功能和组成
什么是CPU？
所谓中央处理器是控制计算机来自动完成取出指令 和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简 称为CPU。
CPU的基本组成
计算机组成原理实验 运算器实验
实验一：运算器实验一、实验目的：1、掌握简单运算器的数据传输方式。
2、验证运算功能发生器（74LS181）及进位控制的组合功能。
二、实验要求：完成不带进位及带进位算术实验、逻辑运算实验，了解算术逻辑运算单元的运用。
三、实验原理：其中运算器有两片74LS181以并|串形式结构8位字长的ALU。
运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线连接，运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入已连至数据总线，数据开关（INPUT UNIT）用来给出参与运算的数据，经一三态门（74LS245）和数据总线相连，数据显示灯（BUS UNIT）已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。
在进行手动实验时，必须先预制开关电平|Load=1,|CE=1,其余开关控制信号电瓶均置为0。
四、实验连接：1、八位运算器控制信号连接：位于实验装置左上方的控制信号（CTR—OUT UNIT）中的（S3，S2，S1，S0，M,|CN,LDDR1，LDDR2，LDCZY,|SW—B,|ALU--B）与位于实验装置右中方的（CTR—IN UNIT）、左下方INPUT-UNIT中的（|SW-B）右上方CTR-IN（|ALU-B）作对应连接。
实验中上方信号（CN+4）与（CN+4L）相连。
2、完成上述连接，仔细检查无误后方可接通电源进入实验。
五、实验仪器工作状态设定：在闪动的“P”状态下按动“增址”命令键，使LED显示器自左向右第一位显示提示符“H”，表示本装置已进入手动单元实验状态。
六、实验项目：（一）、算术运算实验拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数（数据灯亮表示它所对应的数据位为“1”，反之为“0”）。
具体操作步骤图示如下：【CBA=001】LDDR1=1 LDDR1=0LDDR2=0 LDDR2=1按STEP 按STEP检验DR1和DR2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（CBA=000）打开ALU输出三态门（CBA=010），当置S3，S2，S1，S0，M为11111时，总线指示灯（BUS-DISP UNIT）显示DR1中的数，而置10101时总线指示灯将显示DR2中的数。
计算机组成原理实验-运算器实验报告
当A=10000000，B=00110010时
F=01111111
（5）S3S2S1S0=1101时，F=A加1。例如：
当A=00110101，B=00110101时，F=00 Nhomakorabea10110
当A=11100011，B=00100010时
F=11100100
F=00100000，FC灯亮，表示有进位
（3）S3S2S1S0=1011时，F=A减B。例如：
当A=00110101，B=00110101时，
F=00000000
当A=01011011，B=00111010时
F=00100001
（4）S3S2S1S0=1100时，F=A减1。例如：
当A=00110101，B=00110101时，
计算机组成原理实验运算器实验报告基本运算器实验报告运算器的组成部分运算器实验报告运算器及移位实验计算机组成原理实验运算器运算器的主要功能是运算器的主要功能运算器的功能
1.逻辑运算
（1）S3S2S1S0=0000时，F=A，例如：
当A=00010101，B=01101001时
F=00010101；
当A=01011000时，B=01011110时
当A=11000011，B=00111100时
F=00000000
（4）S3S2S1S0=0011时，F=A+B。例如：
当A=00110101，B=11001010时，
F=11111111
当A=01011011，B=11000101时
F=11011111
（5）S3S2S1S0=0100时，F=/A。例如：
F=00011101
当A=01000111，B=00000101时
计算机组成原理实验之运算器和存储器实验
实验一运算器实验一、实验目的：1．掌握运算器的组成及工作原理；2．了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；3．验证带进位控制的74LS181的功能。
二、实验设备：EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
三、预习要求：１复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理；２预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。
四、实验原理：运算器的结构框图如图1-1示。
图1-1 运算器的结构框图算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
此处由四片74LS181（U7、U8、U9、U10）以并／串形式构成16位运算器。
它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181 有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式。
算术逻辑单元ALU是74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、 M、Cn决定。
高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。
四片74LS273（U3、U4、U5、U6）构成两个16位数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2 为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。
74LS273的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3两个三态门74LS244（U11、U12）作为运算器的输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU-G 为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G 为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。
其管脚分配和引出端功能符号详见图1-4。
74LS181功能表见表1－1，其中符号“＋”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表示逻辑“非”运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算。
图1-2 74LS181管脚分配表1-2 74LS181输出端功能符号图1-3（a） 74LS273管脚分配图1-3（b）74LS273功能表图1-4（a） 74LS244管脚分配图1-4（b） 74LS244功能五、实验内容：验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。
曹红根《计算机组成原理》3.6运算器的组成
运算器的历史与发展
早期的计算机中，运算器通常采用分立元件实现，如晶体管 和电子管等。随着集成电路技术的发展，运算器逐渐被集成 到一块芯片上，形成了今天我们所见的CPU中的运算器。
随着计算机技术的不断发展，运算器的结构和功能也在不断 改进和完善。现代计算机中的运算器通常具有高速、高精度 、低功耗等特点，能够支持各种复杂的算术和逻辑运算操作 。
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02
寄存器通常由触发器组成，具有 高速存储和读取的特点。
在运算过程中，数据在寄存器之 间传输，通过多个寄存器的组合 可以实现复杂的运算流程。
03
寄存器的设计对于提高运算器的 吞吐量和降低延迟具有重要意义
。
04
数据总线
数据总线用于在运算器内部传输 数据，实现寄存器与寄存器之间 、寄存器与内存之间以及输入/输
出设备之间的数据传输。
数据总线通常采用并行传输方式 ，以提高数据传输速度和吞吐量
。
01
03
02 04
数据总线的宽度（即一次传输的 数据位数）取决于计算机的字长 和数据类型。
数据总线的性能对于整个计算机 系统的性能具有重要影响，尤其 是在大规模数据处理和高性能计 算中。
03
运算器的功能
加法运算
总结词
1
运算器是计算机的核心组成部分，负责执行算术 和逻辑运算操作，其性能直接影响到计算机的整 体性能。
2
运算器通过处理各种数据和指令，实现了计算机 的基本功能，即信息处理、数据计算和逻辑推理。
3
运算器的设计涉及到多个领域的知识，如数字电 路、逻辑设计、微电子技术等，是计算机科学和 技术领域的重要研究课题。
对未来研究和发展的建议
01
运算器的主要功能
运算器的主要功能
运算器的主要功能是实现算术运算和逻辑运算。
运算器(Arithmetic Unit)是计算机的数据处理中心，也是机器中各部件交换数据的枢纽。
现代计算机的奠基人冯.诺依曼在世界上第一台电子计算机ENIAC研制过程中，于1945年发表了《电子计算机逻辑结构初探》的报告，提出了建造现代计算的结构模型，要点是：计算机由五大部件即运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置组成。
运算器为中心，采用二进制编码表示数据，提出了指令的二进制表示方法和存储程序的概念等。
奠定了现代计算机的理论基础，提出的模型被称为冯.诺依曼计算机结构模型。
运算器的核心是算术逻辑部件（ALU)，其本质上是一个二进制并行加法器，减法也可在加法器中实现，乘除法可通过加减法和移位完成，为了提高运算速度，在加法器输出端增加一级移位器，使加法和移位在一个时钟周期内完成。
1。
经典：计算机组成原理-运算方法和运算器
数符
尾数
常用补码或移码表示
常用补码或原码表示
7
表示范围： 假如阶码和尾数均为原码表示：
32位浮点数：数符1位、阶码8位、尾数23位 32位定点整数：
8
溢出
负浮点数
负浮点数 溢出
溢出 负浮点数 负下溢 正下溢 负浮点数 溢出
★浮点数的规格化表示: ︱M︱ ≥0.5
9
• 数的机器码表示 ① 原码
纯整数〔X〕原 =
被乘数 乘数
[X]原= Xf . Xn-1 …… X1 X0 [Y]原= Yf . Yn-1 …… Y1 Y0
积 [Z]原= （Xf Yf )（0. xn-1 …… x1 x0)（0. yn-1 …… y1 y0)
如下图：
27
110 11
1010 1
110 11
000 00
110 11
000 00
1.外部特性
41
工作方式： 正逻辑 负逻辑
控制方式： M=0 算术运算 M=1 逻辑运算
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芯片管脚介绍：
控制端：S0 、 S1 、 S2 、 S3 、 M 输入端： A0 、B0 、 A1 、B1 、A2 、B2 、A3 、B3 进位输入端： Cn 输出端： F0 、F1 、 F2 、F3 进位输出端： Cn+4 比较输出端：A=B
浮点数
①定点整数: 0≤︱X︱≤2n﹣1
X0 X1 X2
……
Xn
符号位
②定点小数: 0≤︱X︱≤1﹣2﹣n
X0 X1 X2
……
Xn
符号位
6
③浮点数 : 表示形式： N=±RE ·M E------阶码 M------尾数 R-------与所采用的进制有关
《计算机组成原理》运算器实验报告
一. 实验目的及要求(1) 了解运算器的组成结构。
(2) 掌握运算器的工作原理。
二. 实验模块及实验原理本实验的原理如图1-1-1所示。
运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A 和暂存器B ，三个部件同时接受来自 A 和B 的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号 S3…S0和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为 ALU的输出。
如果是影响进位的运算，还将置进位标志 FC，在运算结果输出前，置 ALU零标志。
ALU中所有模块集成在一片CPLD 中。
逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。
移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，交叉开关的原理如图1-1-2所示。
图中显示的是一个 4X4 的矩阵（系统中是一个 8X8 的矩阵）。
每一个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即：(1) 对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输出分别相连, 而没有同任何输入相连的则输出连接0 。
(2) 对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。
例如，在4 位矩阵中使用‘右1 ’和‘左 3 ’对角线来实现右循环 1 位。
(3) 对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是 0 填充，具体由相应的指令控制。
使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。
运算器部件由一片CPLD 实现。
ALU的输入和输出通过三态门74LS245 连到CPU 内总线上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。
请注意：实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记‘’，表示这两根排针之间是连通的。
图中除 T4和CLR ，其余信号均来自于 ALU单元的排线座，实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的 T1、T2、T3、T4，CLR 都连接至 CON单元的CLR 按钮。
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一个DE触发器和一个三态缓冲器组成。DE触发器是在
一个普通D触发器上另加一个E输入端（允许端）而构 成的。此处E输入端用以控制D的输入。若E＝0,即使D
为“1”,也不能输入。当接收数据时,E＝1三态门被禁止,因
而数据总线上的数据被接收到锁存器。当发送数据时,E ＝0,三态门被允许,因而锁存器的数据发送至数据总线上。
函数Xi和Yi(如上图所示)，然后再将Xi，Yi和下一位进位数
通过全加器进行全加。这样，不同的控制参数可以得到不 同的组合函数 ，因而能够实现多种算术运算和逻辑运算。
计算机组成原理
图2.10 ALU的逻辑结构原理框图
计算机组成原理
因此，一位算术/逻辑运算单元的逻辑表达式为 Fi=Xi⊕Yi⊕Cn+1 Cn+i+1=XiYi+YiCn+i+Cn+iXI
计算机组成原理
S2 S3 0 0 1 1 0 1 0 1
Xi 1 Ai＋Bi Ai＋Bi Ai
根据上面所列的函数关系,即可列出Xi和Yi的
逻辑表达式 Xi＝S2S3＋S2S3（Ai＋Bi）＋S2S3（Ai＋Bi） ＋S2S3Ai Yi＝S0S1Ai＋S0S1AiBi＋S0S1AiBi
进一步化简并代入前面的求和与进位表达式，可得ALU的 某一位逻辑表达式如下
计算机的运算器大体有如下三种结构形式
计算机组成原理
单总线结构的运算器如(a)所示。由于所有部件都接到同一
总线上,所以数据可以在任何两个寄存器之间,或者在任一 个寄存器和ALU之间传送。如果具有阵列乘法器或除法器, 那么它们所处的位置应与ALU相当。对这种结构的运算器 来说,在同一时间内,只能有一个操作数放在单总线上。为
线旁路器把数据传出;如果一个操作数传送时需
要修改,那么就借助于ALU。很显然,三总线结构 的运算器的特点是操作时间快。
计算机组成原理
计算机组成原理
运算器组成实例
1、最简单的运算器
只有三个逻辑部件：
算术逻辑运算单元、
缓冲寄存器DR。
累加寄存器ac、数据
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2、 早 期 的 小 型 机 的 理
浮点运算器
图为8087系列浮点运算器，可进行三类七种数据运算。 主要功能：
1、可与配套cpu芯片异步并行工作
2、高性能80位字长内部结构，有八个80位字长的以 堆栈方式管理的寄存器组 3、浮点运算格式符合ieee指定的国际标准 4、能处理包括二进制浮点数、二进制整数和十进制
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双总线结构的运算器如(b)所示。在这种结构中,两个操作
数同时加到ALU进行运算,只需一次操作控制,而且马上就可 以得到运算结果。图中,两条总线各自把其数据送至ALU的 输入端。特殊寄存器分为两组,它们分别与一条总线交换数 据。这样,通用寄存器中的数就可进入到任一组特殊寄存器
中去,从而使数据传送更为灵活。ALU的输出不能直接加到
行进位逻辑，从而能实现高速运算。
（1 一位全加器(FA)的逻辑表达式为 Fi=Ai⊕Bi⊕Ci Ci+1=AiBi+BiCi+CiAi
计算机组成原理
式中Fi是第i位的和数，Ai,Bi是第i位的被加数和加数，Ci是
第i位的进位输入，Ci+1为第i位的进位输出。 为了将全加器的功能进行扩展以完成多种算术/逻辑运算， 我们先不将输入Ai，Bi和下一位的进位数Ci直接进行全加， 而是将Ai和Bi先组合成由控制参数S0,S1,S2,S3控制的组合
Fi＝Yi⊕Xi⊕Cn+i
Cn＋i＋1＝Yi＋计算机组成原理 XiCn＋i
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内部总线
由于计算机内部的主要工作过程是信息传送和加工的过程，因 此在机器内部各部件之间的数据传送非常频繁。为了减少内的
数据传送线并便于控制，通常将一些寄存器之间数据传送的
通路加以归并，组成总线结构，使不同来源的信息在此传输线 上分时传送。 根据总线所处的位置，总线分为内部总线和外部总线两类： 内部总线是指CPU内各部件的连线。 外部总线是指系统总线，即CPU与存储器、I/O系统之间的连线。
上式中进位下标用n+i代替原来一位全加器中的 i,i代表集成在一片电路上的ALU的二进制位 数，对于4位一片的ALU，i=0,1,2,3。n代表若 干片ALU组成更长字长的运算器时每片早路的 进位输入，例如当4片组成16位字长的运算器 时，n=0，4，8，12。
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2)
控制参数S0,S1,S2,S3分别控制输
入Ai和Bi， 产生Yi和Xi的函数。其中Yi是受S0,S1控制的Ai 和Bi的组合函数，而Xi是受S2,S3控制的Ai和B i的组合函数，其函数关系如下表所示
Yi S0 S1 0 0 1 1 0 1 0 1 Ai AiBi AiBi 0
进位信号从最低位传递到最高位而最后输出稳定，至少需要
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n×20ns，这在高速计算中显然是不利的。
二是就行波进位加法器本身来说，它只能完成加法和减法 两种操作而不能完成逻辑操作。 为此，本节我们先介绍多功能算术/逻辑运算单元(ALU)， 它不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能，而且具有先
运算器是计算机的加工处理部件，最基本的结构必须有算术逻辑运 算单元、数据寄存器、累加器、多路转换器和数据总线等部件。 前面我们曾介绍由一位全加器(FA)构成的行波进位加法器，它可以实 现补码数的加法运算和减法运算。但是这种加法/减法器存在两个 问题：一是由于串行进位，它的运算时间很长。假如加法器由n位 全加器构成，每一位的进位延迟时间为20ns，那么最坏情况下，
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按总线的逻辑结构来说，总线可分为单向传送总线和双向
传送总线。所谓单向总线，就是信息只能向一个方向传送。 所谓双向总线，就是信息可以向 两个方向传送，既可以发 送数据，也可以接收数据。 总线的逻辑电路往往是三态的，即输出电平有三种状态：
逻辑1逻辑0和浮空状态。
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数串三大类七种数据
5、扩展了配套cpu芯片的硬件指令，支持函数运算 6、内部出错管理功能
计算机组成原理
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总线1或总线2上去。
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三总线结构的运算器如演示(C)所示。在三总线结构
中,ALU的两个输入端分别由两条总线供给, 而ALU的输出则与第三条总线相连。这样,算术
逻辑操作就可以在一步的控制之内完成。由于
ALU本身有时间延迟,所以打入输出结果的选通 脉冲必须考虑到包括这个延迟。另外,设置了一 个总线旁路器。如果一个操作数不需要修改,而 直接从总线2传送到总线3,那么可以通过控制总
由三态门组成的双向数据总线
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(a)是带有缓冲驱动器的4位双向数据总线。其中所用的 基本电路就是三态逻辑电路。当“发送”信号有效时,数据 从左向右传送。反之,当“接收”信号有效时,数据从右向左
传送。这种类型的缓冲器通常根据它们如何使用而叫作
总线扩展器、总线驱动器、总线接收器等等。 (b)所示的是带有锁存器的4位双向数据总线。它主要由
总线上去。这是因为,当形成操作结果的输出时,两条总线 都被输入数占据,因而必须在ALU输出端设置缓冲寄存器。 为此,操作的控制要分两步完成:
计算机组成原理
1.在ALU的两个输入端输入操作数,形成结果并送入缓冲寄
存器; 2.把结果送入目的寄存器。假如在总线1,2和ALU输入端之 间再各加一个输入缓冲寄存器,并把两个输入数先放至这两 个缓冲寄存器,那么,ALU输出端就可以直接把操作结果送至
了把两个操作数输入到ALU,需要分两次来做,而且还需要
A,B两个缓冲寄存器。
这种结构的主要缺点是操作速度较慢。虽然在这种结构中 输入数据和操作结果需要三次串行的选通操作,但它并不会 对每种指令都增加很多执行时
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间。只有在对全都是CPU寄存器中的两个操作数进行操作
时,单总线结构的运算器才会造成一定的时间损失。但是由 于它只控制一条总线,故控制电路比较简单。
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定点运算器的基本结构
运算器包括ALU\阵列乘除器\寄存器\多路开关\三态缓冲 器\数据总线等逻辑部件。运算器的设计,主要是围绕ALU 和寄存器同数据总线之间如何传送操作数和运算结果进行 的。在决定方案时,需要考虑数据传送的方便性和操作速度,
在微型机和单片机中还要考虑在硅片上制作总线的工艺。