《计算机组成原理》第4章运算器.ppt

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1、第4章运算器（时间：4次课，8学时）第4章运算器本章介绍计算机运算器部件的功能、组成与运行原理。为便于理解，先讲述一个简单的算术逻辑单元的基本结构和运算原理，然后分别介绍定点运算器的基本组成与实现、加速乘除法运算的技术和浮点运算器。这样，就可以对运算器的工作有个比较深入的理解。第4章运算器4.1运算器概述4.2一个简单的算术逻辑单元4.3定点运算器的基本组成与实现4.4加速乘除运算的技术4.5浮点四则运算4.6运算器组织4.1运算器概述运算器是计算机中处理数据的功能部件。对数据的处理，主要包括数值数据的算术

2、运算，如执行加、减、乘、除等运算，变更数据的符号等；也包括逻辑数据的逻辑操作，如完成与、或、求反、异或等运算。因此，实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能，而这些功能是由运算器内部的一个被称为算术与逻辑运算部件(ALU)完成的，ALU往往也是运算器内部传送数据的重要通路。算术逻辑运算不仅要给出参加运算的一个或两个操作数的运算结果的值，往往还要求给出结果值的某些特征，如算术运算时，结果是否为零，是否溢4.1运算器概述出，结果的符号为正还是为负，最高位是否给出了进位信号等，这要求有相应的线路给出这些特征结

3、果，以便在完成本次运算后，将其保存到相应的标志寄存器中。运算器还有一个功能，就是暂存参加运算的数据和某些中间运算的结果。因此，运算器内部包含一定数目的寄存器。运算器的硬件设计，直接与被处理数据的类型、表示方法、编码方案紧密相关，还取决于数据运算所选用的算法。4.2一个简单的算术逻辑单元算术逻辑单元的基本逻辑结构是超前进位加法器，它通过改变加法器的Gi(Ai·Bi)和Pi(Ai+Bi)来获得多种运算能力。下面按层次介绍国际流行的美国SN74181型四位ALU中规模集成电路的功能，由此理解ALU的工作原理。SN

4、74181将组内并行进位链与全加器集成在一块芯片之中，另将组间并行进位链单独集成(如SN74182芯片)。使用若干SN74181芯片，加上并行进位链芯片(如SN74182)，就可以方便地构成多位ALU部件，成为运算部件的核心。SN74181有正逻辑和负逻辑两种芯片，这里只介绍后者。4.2一个简单的算术逻辑单元1.SN74181内一位ALU逻辑下面先分析SN74181内一位ALU的基本逻辑，看看它是如何实现多种算术、逻辑运算功能的。如图4-1所示，可将其划分为3部分。图4-1SN74181内一位ALU单元4.

5、2一个简单的算术逻辑单元ALU单元的输入选择逻辑，着眼于构造并行进位链的需要，让Xi输出中包含进位传递函数Pi=Ai+Bi，而Yi输出中则包含进位产生函数Gi=AiBi。S3与S2控制选择左边一个二与或非门的输出Xi，S1与S0控制选择右边一个三与或非门的输出Yi，逻辑关系如表4-1所示。表4-1控制信号与被控制信号左边门控受控右边门控受控S3S2XiS1S0Yi00100Ai01Ai+Bi01AiBi10Ai+Bi10AiBi11Ai1104.2一个简单的算术逻辑单元2.SN74181逻辑电路图4-2是S

6、N74181芯片的逻辑图，它是一种四位的ALU。可将其划分为3部分。(1)四位ALU。每一位的逻辑与图4-1相同，只是四位共用一个控制门，M信号控制做算术运算或逻辑运算，Cn是后一组芯片向本组芯片最低位的进位。四位全加器位于图的上半部分，通过两次半加实现需要的运算。(2)组内并行进位链。片内四位为一小组，组内采用并行进位结构。初始进位输入Cn，对外输出3个信号：进位Cn+4，小组进位产生函数G，小组进位传递函数P。利用Cn+4可以构成组间串行进位；利用G与P4.2一个简单的算术逻辑单元，可送往SN74182

7、构成组间并行进位。有关的逻辑式如下。Cn+1=G0+P0CnCn+2=G1+P1G0+P1P0CnCn+3=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0CnCn+4=G·P3P2P1P0Cn=G·PCn=G+PCn其中，G=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0P=P3P2P1P0(3)ALU四位数据的输入选择逻辑，位于图的下半部分，选择运算功能。4.2一个简单的算术逻辑单元3.SN74181的外特性SN74181的外特性，即引脚方框图，如图4-3所示。从该图可以看出，SN74181的使用有两种极性关

8、系。（1）输入反变量、输出反变量。（2）输入原变量、输出原变量。图4-2SN74181四位ALU逻辑图4.2一个简单的算术逻辑单元表4-2（书上P97）概括了采用负逻辑方式时SN74181可能实现的各种算术运算与逻辑运算功能，及其对应的控制信号状态。一旦确定了ALU所需执行的运算功能，就可根据表4-2选择控制信号的相应组合。从运算器与控制器的界面看，由74181构成的ALU属于运算器范畴，而M、S3、S2、S1、