计算机中的运算器部件

建
的 建 立 时 间
内器 容内 送容 出送 时时 间间
果
存器 器接 收收 运运 算算 果结 时果 间时
间
数据
间
时
运算
组
运算周
本章主要内容
运算器部件概述
定点运算器的功能、 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）
通过几组多 路选择器电 路实现相互 连接， 连接，以便 数据传送。 数据传送。
输出Y 输出 /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
F
二选一
运算器， 运算器，三大件 运算暂存乘除快 运算 暂存 乘除快 多路选通连起来 Cn 数据组合有内外 运算功能指明白 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 移输出 运算功能选择 ← I5 I4 I3 数据组合选择 ← I2 I1 I0 运算结果处理 ← I8 I7 I6
通用寄存器组 输入D 输入 乘商寄存器 Q
乘商寄存器Q 乘商寄存器 Q3 三选一 Q0
B锁存器 锁存器 B
A锁存器 锁存器 A
16个 个
A口地址 口地址 B口地址 口地址
功能 8种运算功能 种运算功能 8种数据组合 种数据组合
通用寄存器 三选一
RAM3
RAM0
8种结果处理 种结果处理
F
符号位 结果为零 结果溢出 进位输出 F3 F=0000 OVR Cn+4
– 定点运算器：完成对整数类型数据的算术运算、逻 定点运算器：完成对整数类型数据的算术运算、 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 浮点运算器：
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。 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， 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， 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。 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 需要明确将要执行的运算功能， 算术运算功能，还是对逻辑数据的何种逻辑运算功能。 算术运算功能，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。 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， 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。 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。 同完成指令的执行过程。
• 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） 作为处理机内部数据通路（ ）
教学计算机硬件系统的组成
计算机 终端 PC机 机 微程序 控制器 硬 控制器 运算器 (16 位) 器 16位 位
+5V
输出Y 输出
8 种结果处理
3位控制码 通用寄存器 Q寄存器 位控制码 寄存器 000 Q←F 001 010 B←F 011 B←F 100 B←F/2 Q←Q/2 101 B←F/2 110 B←2F Q←2Q 111 B←2F Y输出 输出 F F A F F F F F
Am2901的控制信号 的控制信号
送出结果
运算
数据运算线路 组合逻辑） （组合逻辑）
控
寄 制 信
制 控
控制信号
号
存寄
信
运
运 算 器 执 行 相 出 时 间 加
器存
号
算 器 执 行 运 算 时 间
间 运 运
算 算 结 结 果 到 送 寄 到 存 寄 器 存 输 器 入 输 端 入 端
时
结 接
寄
寄存
数据暂存线路 逻辑） （ 逻辑）
立 时 间
F
F3 F=0000 OVR Cn+4
A L U S R
Cn
第三个组成部分 是乘商寄存器Q 是乘商寄存器 它能对自己的内 容完成左右移位 功能， 功能，其输出可 以送往ALU，并 以送往 ， 可接收ALU的输 可接收 的输 出结果。 出结果。
Q寄存器 寄存器
B锁存器 锁存器 B
A锁存器 锁存器 16个 个 A A口地址 口地址 B口地址 口地址
口地址 16个种数据组合(R，S) 该芯片的第四个 个种数据组合 ， 8种数据组合 A A口地址
3位数据选择码 位数据选择码
AQ AB 0Q 0BB口地址 组成部分是 5 组 0A DA DQ D0 通用寄存器 口地址 000 001 010 011 100 101 多路选通门,包括 110 111 多路选通门 包括
A L U S R 三选一 二选一
乘商寄存器Q 乘商寄存器 Q3 三选一 Q0
B锁存器 锁存器 B
A锁存器 锁存器 A
16个 个
A口地址 口地址 B口地址 口地址 I8~I6
功能 8种运算功能 种运算功能 8种数据组合 种数据组合 8种结果处理 种结果处理
通用寄存器 三选一
RAM3
RAM0
运算器的时钟脉冲信号
A L U S R 三选一 二选一
Q寄存器 寄存器 Q3 三选一 Q0
B锁存器 锁存器 B
A锁存器 锁存器 16个 个 A
输入D 输入 A口地址 口地址 B口地址 口地址
通用寄存器 三选一
RAM3
RAM0
输出Y 输出 /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
F
二选一
Am2901内部组成 内部组成 I5~I3 Cn I2~I0 组成 算逻运算部件 通用寄存器组 输入D 输入 乘商寄存器 Q
运算器的时钟脉冲信号 CP 教学计算机的主频: 教学计算机的主频 1.8432MH z/6
周期 注 意 两 个 跳 Q A B 器 变 沿 和 低 电 平 的 作 用
Am2901的操作使用 的操作使用
操作功能 B口 口 R0←R0+R1 ← R2←R2−R0 ← −
右移
控制信号 A口 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 Cn 口 011 010 101 000 010 011 000 001 000 000 100 100 001 001 001 100 001 001 0 1 0 0 0 0
(1) (2) (3)
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 移位时最高、
输出Y 输出 /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
F
二选一
Am2901内部组成 内部组成
Cn 组成 算逻运算部件
A L U S R 三选一 二选一
Q寄存器 寄存器 Q3 三选一 Q0
B锁存器 锁存器 B
A锁存器 锁存器 16个 个 A
输入D 输入D A口地址 口地址 B口地址 口地址
通用寄存器 三选一
RAM3
RAM0
一组二选一门， 一组二选一门， 二选一 /OE 选择把A口数据 选择把 口数据 F 或ALU结果送出 结果送出 F3 A L U 芯片， 芯片，以给出输 F=0000 OVR S R Cn 的数据， 输 出Y的数据，Y输 的数据 Cn+4 出的有无还受输 三选一 二选一 出使能 /OE信号 信号 的控制， 的控制，仅当 为低是才有Y 为低是才有 输入D 输入D /OE为低是才有 B锁存器 A锁存器 锁存器 锁存器 Q寄存器 寄存器 输出 ， /OE为高，Y输出 为高， 输出 为高 口地址 为高阻态。 Q3 Q0 B 16个 A A口地址 为高阻态。 个 三选一 通用寄存器 B口地址 口地址 RAM3 三选一 RAM0
3位功能选择码 位功能选择码 000 001 010 011 100 101 110 111
F
F3 F=0000 OVR Cn+4
A L U S R
Cn
第二个组成部分 是通用寄存器组 由16个寄存器构 个寄存器构 成，并通过B口 并通过 口 与A口地址选择 口地址选择 被读的寄存器， 被读的寄存器， B口地址还用于 口地址还用于 指定写入寄存器
串 行 接 口
内 存 扩 展 实 验
接 口 实 验 中 断 来自百度文库 验
微程序
控制器小板
串行口接线座
串口电路
5V直流电源 直流电源
电源开关
组合逻辑
控制器 内存 储器 运算器
RESET,START
I8~6 I5~3 I2~0 SST SCI SSH A口 B口 口 口
按键
运行功能选择开关
两个12位的 两个 位的
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、 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 计算机五大功能部件之一， 制下，完成指定给它的运算处理功能。 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： 类型：
F
F3 F=0000 OVR Cn+4
A L U S R 三选一 二选一
Cn
一组三选一门 完成把ALU的 完成把 的 输出、 输出、或左移 一位、 一位、或右移 一位的值送往 通用寄存器组 最高、 ，最高、最低 位移位信号有 双向入/出问题 双向入 出问题 一组三选一门 完成Q寄存器 完成 寄存器 的左移一位、 的左移一位、 或右移一位、 或右移一位、 或接收ALU输 或接收 输 出值的功能， 出值的功能， 最高、 最高、最低位 移位信号有双 向入/出问题 出问题。 向入 出问题。
B锁存器 锁存器
通过B口地址、 通过 口地址、 口地址 口地址读出的 口地址 A口地址读出的 B 16个 A A口地址 个 数据将送到B、 数据将送到 、 通用寄存器 锁存器， 锁存器 B口地址 A锁存器，要写 口地址 入寄存器的数据 写入） （写入） 由一个多路选择 器送来。 器送来。
A锁存器 锁存器
编码 000 001 010 011 100 101 110 111
B
B B B B B B
F F F A F F F/2 Q Q/2 F F/2 F 2F Q 2Q F 2F F
I8 I7QI6 Q F
Y
I5 I4 I3 I2 I1 SI0 R R+S A Q S− R A B R− S 0 Q R٧ S 0 B ٧ RΛS 0 A RΛS D A R⊕S D Q ⊕ R⊕S D 0 ⊕
16位的 位的
微型开关
手拨输入开关
教学计算机运算器实例
教学计算机运算器字长16位 教学计算机运算器字长 位，用4片4 片 位的位片结构的Am2901组成。 组成。 位的位片结构的 组成
Am2901芯片的内部组成和实现的功能 芯片的内部组成和实现的功能 怎样连接4片 成为16位的运算器 怎样连接 片Am2901成为 位的运算器 成为 怎样解决运算器实用中的几个问题： 怎样解决运算器实用中的几个问题：
Am2901
RAM0 Q0 A3~A0 B3~B0 I8~I6 I2~I0 D3~D0 I5~I3
Vcc
F=0 F15 OVER Cy RAM15 Q15 CP A口 口 B口 口 I8~6 I5~3 I2~0
通用寄存器
F
F3 F=0000 OVR Cn+4
A L U S R 三选一 二选一
Cn
Q寄存器 寄存器
B锁存器 锁存器 B
A锁存器 锁存器
输入D 输入D
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 的 、 输 入端的数据来源 包括Q寄存器 寄存器、 ，包括 寄存器、 A口、 B口、外 口 口 部输入D数据的 部输入 数据的 8 种不同组合。 种不同组合。
A L U S R 8种运算功能 种运算功能 R+S S−R − R−S − R٧ S ٧ RΛS Λ RΛS Λ R⊕S ⊕ R⊕S ⊕
Cn
Am2901芯片是 芯片是 一个 4位的位片结构 位的位片结构 的运算器器件,其内 的运算器器件 其内 部组成如下： 部组成如下： 第一个组成部分是 算逻运算部件ALU, 算逻运算部件 完成 3 种算术运算 种逻辑运算， 和 5 种逻辑运算， 种功能。 共计 8 种功能。 其输出为 F，两路输 ， 入为 S、R，最低位 、 ， 进位Cn， 个状态输 进位 ，4个状态输 出信号如图所示
0000 0001 0010 0000 / 0000 0001 0000 0001 0001
R0←R0+R1 ← Q←R0 ← Y← F ←
R0←R0ΛR1 Y← A口 0000 ← Λ ← 口 R0←R0ΛR1 Y← F ← Λ ← 0000
入出信号及引脚
Y3~Y0 CP Cn+4 F=0 Over F3 RAM3 Q3 OE Cn