资源描述：
《计算机组成原理定点运算器的组成和结构》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、计算机组成原理第八章定点运算器的组成和结构1.算术逻辑单元（简称ALU）• 针对每一种算术运算，都必须有一个相对应的基本硬件配置，其核心部件是加法器和寄存器。当需完成逻辑运算时，势必需要配置相应的逻辑电路，而ALU电路是既能完成算术运算又能完成逻辑运算的部件。一、ALU电路 下图是ALU框图。图中Ai和Bi为输入变量；Ki为控制信号，Ki的不同取值可决定该电路作哪一种算术运算或哪一种逻辑运算；Fi是输出函数。 现在ALU电路已制成集成电路芯片，如74181是能完成四位二进制代码的算逻运算部件ALU是一种功能较
2、强的组合逻辑电路。它能进行多种算术运算和逻辑运算。ALU的基本逻辑结构是超前进位加法器，它通过改变加法器的进位产生函数G和进位传递函数P来获得多种运算能力。二、快速进位链随着操作数位数的增加，电路中进位的速度对运算时间的影响也越大，为了提高运算速度，本节将通过对进位过程的分析设计快速进位链引例：简单串行级联的4位全加器如下图所示：将4个全加器相连可得4位加法器（图2.7),但其加法时间长。这是因为其位间进位是串行传送的。本位全加和Fi必须等低位进位Ci-1来到后才能进行，加法时间与位数有关。只有改变进位逐位传送的
3、路径，才能提高加法器工作速度。解决办法之一是采用“超前进位产生电路”来同时形成各位进位，从而实行快速加法。我们称这种加法器为超前进位加法器。根据各位进位的形成条件，可分别写出Ci的逻辑表达式：C1=X1Y1+(X1+Y1)C0=G1+P1C0其中:Gi=Xi·Yi称为进位产生函数Pi=Xi+Yi称为进位传递函数Gi的意义是：当XiYi均为“1”时定会产生向高位的进位Pi的意义是：当Xi和Yi中有一个为“1”时，若同时低位有进位输入,则本位也将向高位传送进位。写成通用式为：C1=G1+P1C0C2=G2+P2C1=
4、G2+P2(G1+P1C0)=G2+P2G1+P2P1C0C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0当全加器的输入均取反码时，它的输出也均取反码。（应用反演律采用与非、或非、与或非表示）将上式改写成如下：根据上式可画得“超前进位产生电路”及四位超前进位加法器的逻辑图如下图2.8。全加器函数发生器FiCi+n+1Cn+1S0S1S2S3XiYiAiBi基本思想----------由全加器扩展开来:Fi=Ai⊕Bi⊕CiCi+1=Ai
5、Bi+BiCi+CiAi加入控制参数s0~s3,对输入进行控制.此时全加器的输入变为Xi,Yi一位全加器(FA)的逻辑表达式为1.逻辑表达式下图为控制参数s0~s3与输入量的关系:S0S1YiS2S3Xi00~Ai00101~AiBi01~Ai+~Bi10~Ai~Bi10~Ai+Bi11011~Ai由上表,可得Xi,Yi的逻辑表达式(化简后为)Xi=S3AiBi+S2AiBiYi=Ai+S0Bi+S1Bi故:XiYi=Yi代入进位表达式,简化为:Cn+i+1=Yi+XiCn+i综上所述:ALU的某一位逻辑表达式可
6、写为:Xi=S3AiBi+S2AiBiYi=Ai+S0Bi+S1BiFi=Yi⊕Xi⊕Cn+ICn+i+1=Yi+XiCn+I4位之间采用先行进位,则由上式,每一位的进位公式可递推如下:第0位向第一位的进位:Cn+1=Y0+X0Cn第1位向第2位的进位:Cn+2=Y1+X1Cn+1=Y1+Y0X1+X0X1Cn第2位向第3位的进位:Cn+3=Y2+X2Cn+2=Y2+Y1X1+Y0X1X2+X0X1X2Cn第3位向第4位的进位:Cn+4=Y3+Y2X3+Y1X2X3+Y0X1X2X3+X0X1X2X3Cn设:G=
7、Y3+Y2X3+Y1X2X3+Y0X1X2X3P=X0X1X2X3故:Cn+4=G+PCn这样,对一片ALU来说,可有三个进位输也,其中,G称为进位发生输出,P称为进位传送输出.在电路中多加这两个进位输出的目的是为了便于实现多片ALU之间的先行进位.(第0位的进位输入Cn可以直接传到最高位上去,从而实高速运算).下面通过介绍SN74181型四位ALU中规模集成电路了介绍ALU的原理。•它能执行16种算术运算和16种逻辑运算，M是状态控制端，M=H,执行逻辑运算；M=L执行算术运算。S0~S3是运算选择端，它决定电
8、路执行哪种算术运算或逻辑运算。以正逻辑为例，B3～B0和A3～A0是两个操作数，F3～F0为输出结果。C-l表示最低位的外来进位，Cn+4是7418l向高位的进位；P、G可供先行进位使用。M用于区别算术运算还是逻辑运算；S3～S0的不同取值可实现不同的运算。例如，当M=1，S3～S0=0110时，74181作逻辑运算A⊕B；当M=0，S3～S0=0110时，74181作算
