3-3_運算器組成和結(jié)構(gòu)_5稿

1、1第第3章章 運算方法和運算器運算方法和運算器運算器有哪些組成單元？其功能是？運算器有哪些組成單元？其功能是？什么是什么是ALU?其特點是？其特點是？16位通用寄存器的位通用寄存器的8個寄存器名稱？個寄存器名稱？狀態(tài)寄存器有哪些標志位？狀態(tài)寄存器有哪些標志位？會進行算術(shù)、邏輯移位操作運算。會進行算術(shù)、邏輯移位操作運算。運算器的三種總線結(jié)構(gòu)運算器的三種總線結(jié)構(gòu)233-2-1 定點運算器的基本組成定點運算器的基本組成算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU通用寄存器組通用寄存器組狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器累加器累加器數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路4運算器的組成示意圖運算器的組成示意圖5ALUALU：算術(shù)邏輯單元：算術(shù)邏輯單元，

2、核心部件。，核心部件。實現(xiàn)基本算術(shù)、邏實現(xiàn)基本算術(shù)、邏輯運算。輯運算。暫存器：用來存放參與計算的數(shù)據(jù)及運算結(jié)果。暫存器：用來存放參與計算的數(shù)據(jù)及運算結(jié)果。它它只對硬件設(shè)計者可見，即只被控制器硬件邏輯控制或只對硬件設(shè)計者可見，即只被控制器硬件邏輯控制或微程序所訪問。微程序所訪問。通用寄存器組：用于存放程序中用到的數(shù)據(jù)。通用寄存器組：用于存放程序中用到的數(shù)據(jù)。它可它可以被軟件設(shè)計者所訪問。以被軟件設(shè)計者所訪問。內(nèi)部總線：用于連接各個部件的信息通道。內(nèi)部總線：用于連接各個部件的信息通道。傳輸運傳輸運算過程中的數(shù)據(jù)。算過程中的數(shù)據(jù)。各組成部分的功能簡要介紹各組成部分的功能簡要介紹如指令如指令0000,

3、0000,000000010000 代表代表 LOAD A, 16，其中第其中第1個個4位代表位代表load,第第2個個4位代表寄存器地址位代表寄存器地址A，第，第3個個8位即操作數(shù)位即操作數(shù)16,6一、算術(shù)邏輯單元一、算術(shù)邏輯單元ALU算術(shù)邏輯部件（算術(shù)邏輯部件（ arithmetic unit） ： 計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算操作的部計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算操作的部件。運算器的件。運算器的基本操作包括加、減、乘、除四則基本操作包括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作。比較和傳送等操作。1 1、A

4、LU的特點：的特點： 不僅具有多種不僅具有多種算術(shù)運算和邏輯運算的功能算術(shù)運算和邏輯運算的功能, ,而而且具有先行進位邏輯且具有先行進位邏輯, , 從而能從而能實現(xiàn)高速運算實現(xiàn)高速運算。7一、算術(shù)邏輯單元一、算術(shù)邏輯單元ALU2 2、ALU的的處理數(shù)據(jù)能力處理數(shù)據(jù)能力： 運算器的處理對象是數(shù)據(jù)，所以運算器的處理對象是數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)長度和計算數(shù)據(jù)長度和計算機數(shù)據(jù)表示方法，對運算器的性能影響極大機數(shù)據(jù)表示方法，對運算器的性能影響極大。7070年代年代大多數(shù)通用計算機則以大多數(shù)通用計算機則以1616、3232、6464位作為運算器處理位作為運算器處理數(shù)據(jù)的長度。數(shù)據(jù)的長度。 能對一個數(shù)據(jù)運算器的所有

5、位同時進行處理的運能對一個數(shù)據(jù)運算器的所有位同時進行處理的運算器稱為算器稱為并行運算器并行運算器。 如果一次只處理一位，則稱為如果一次只處理一位，則稱為串行運算器串行運算器。 有的運算器把一個完整的數(shù)據(jù)分成若干段進行計有的運算器把一個完整的數(shù)據(jù)分成若干段進行計算，稱為算，稱為串串/ /并行運算器并行運算器。8認識典型的認識典型的4位位74181 ALU部件邏輯電路圖部件邏輯電路圖974181 部分運算功能表部分運算功能表 通過通過74181 ALU74181 ALU功能表，我們了解到當(dāng)功能表，我們了解到當(dāng)M=0M=0(L(L低電平低電平) )時，時，實現(xiàn)算實現(xiàn)算術(shù)運算術(shù)運算；當(dāng)；當(dāng)M=1M=1

6、(H(H高電平高電平) )時，時，實現(xiàn)邏輯運算實現(xiàn)邏輯運算。 表中，算術(shù)運算用表中，算術(shù)運算用“加加”和和“減減”漢字表示，而漢字表示，而+ +表示邏輯運算表示邏輯運算的或。的或。減法是用補碼運算的，其中減數(shù)的反碼在內(nèi)部產(chǎn)生，輸出減法是用補碼運算的，其中減數(shù)的反碼在內(nèi)部產(chǎn)生，輸出“A A減減B B減減1”1”（倒數(shù)第（倒數(shù)第2 2行），因此行），因此在做減法時，需在最低位產(chǎn)生一在做減法時，需在最低位產(chǎn)生一個強迫進位（個強迫進位（+1+1），以便產(chǎn)生），以便產(chǎn)生A A減減B B的結(jié)果。的結(jié)果。 10二、通用寄存器二、通用寄存器 通用寄存器可用于傳送和暫存數(shù)據(jù)，也可通用寄存器可用于傳送和暫存數(shù)據(jù)，

7、也可參與算術(shù)邏輯運算，并保存運算結(jié)果。參與算術(shù)邏輯運算，并保存運算結(jié)果。除此之除此之外，它們還各自具有一些特殊功能。外，它們還各自具有一些特殊功能。通用寄存通用寄存器的長度取決于機器字長，它是計算機中存取器的長度取決于機器字長，它是計算機中存取速度最快的存儲器。速度最快的存儲器。因每個寄存器的一般用途因每個寄存器的一般用途和特殊用途有很大的差異，因而匯編語言程序和特殊用途有很大的差異，因而匯編語言程序員必須熟悉只有這樣，才能在程序中做到正確、員必須熟悉只有這樣，才能在程序中做到正確、合理地使用它們。合理地使用它們。1112 16位位cpu通用寄存器共有通用寄存器共有8個：個： AX,BX,CX

8、,DX,BP,SP,SI,DI. 8個寄存器除作為普通的數(shù)據(jù)寄存器使用外。個寄存器除作為普通的數(shù)據(jù)寄存器使用外。 還可以有特殊的用途：還可以有特殊的用途：AX為累加器，為累加器，CX為計為計數(shù)器，數(shù)器，BX、BP為基址寄存器，為基址寄存器，SI、DI為變址寄存為變址寄存器，器，BP還可以是基址指針，還可以是基址指針，SP為堆棧指針。為堆棧指針。二、通用寄存器二、通用寄存器堆棧指數(shù)據(jù)按一定序列存放。堆：先進先出，棧：先進后出堆棧指數(shù)據(jù)按一定序列存放。堆：先進先出，棧：先進后出基址、變址寄存器符號，還將應(yīng)用到尋址方式基址、變址寄存器符號，還將應(yīng)用到尋址方式13三、狀態(tài)寄存器三、狀態(tài)寄存器 狀態(tài)寄存

9、器狀態(tài)寄存器用來用來保存保存ALUALU操作結(jié)果的某些操作結(jié)果的某些狀態(tài)狀態(tài)，這種狀態(tài)可作為外界對操作結(jié)果進行分，這種狀態(tài)可作為外界對操作結(jié)果進行分析的一個依據(jù)，也可以用于判斷程序是否要轉(zhuǎn)析的一個依據(jù)，也可以用于判斷程序是否要轉(zhuǎn)移的條件，該寄存器也稱為移的條件，該寄存器也稱為標志寄存器標志寄存器。 依據(jù)功能上的差別，不同的依據(jù)功能上的差別，不同的CPUCPU，其狀態(tài)，其狀態(tài)寄存器中包含的標志也不盡相同。寄存器中包含的標志也不盡相同。 一般一般狀態(tài)寄存器中包含了最基本的狀態(tài)寄存器中包含了最基本的5 5種運種運算結(jié)果標志：算結(jié)果標志：14三、狀態(tài)寄存器三、狀態(tài)寄存器 5 5種運算結(jié)果標志：種運算結(jié)

10、果標志：記錄運算結(jié)果是否為零的狀態(tài)，：記錄運算結(jié)果是否為零的狀態(tài)，運算結(jié)果為運算結(jié)果為0 0時時Z位置位置1 1，否則，否則Z位置位置0 0。：記錄最高位產(chǎn)生的進：記錄最高位產(chǎn)生的進位，加法運算有進位時位，加法運算有進位時C位置位置1 1，否則置，否則置0 0；減；減法運算不夠減，有借位時法運算不夠減，有借位時C位置位置1 1，否則置，否則置0 0。C標志只對無符號數(shù)運算有意義。標志只對無符號數(shù)運算有意義。15三、狀態(tài)寄存器三、狀態(tài)寄存器 ：記錄運算結(jié)果的符號，有符號：記錄運算結(jié)果的符號，有符號數(shù)采用補碼表示法。運算結(jié)果為正數(shù)時，數(shù)采用補碼表示法。運算結(jié)果為正數(shù)時，N置為置為0 0，否則其值為

11、否則其值為1 1。：用于反映有符號數(shù)加減運算所得：用于反映有符號數(shù)加減運算所得結(jié)果是否溢出。此時結(jié)果是否溢出。此時V標志位為標志位為1 1，否則置，否則置0 0。V標標志只對有帶符號數(shù)運算有意義。志只對有帶符號數(shù)運算有意義。：用于反映運算結(jié)果中：用于反映運算結(jié)果中“1”1”的個的個數(shù)的奇偶性，當(dāng)結(jié)果操作數(shù)中數(shù)的奇偶性，當(dāng)結(jié)果操作數(shù)中“1”1”的個數(shù)為偶的個數(shù)為偶數(shù)時置數(shù)時置1 1，否則置，否則置0 0。16標志寄存器（舉例）標志寄存器（舉例）MOVMOV ALAL，80H80HADDADD ALAL，80H80HADDADD指令運算結(jié)束后：（指令運算結(jié)束后：（ALAL）=00H=00H；Z=1

12、Z=1：因為運算結(jié)果為全零；：因為運算結(jié)果為全零；C=1C=1：因為加法運算的最高位產(chǎn)生了進位，表明無符號數(shù)加運算：因為加法運算的最高位產(chǎn)生了進位，表明無符號數(shù)加運算發(fā)生溢出。實際上是：把操作數(shù)發(fā)生溢出。實際上是：把操作數(shù)80H80H和和80H80H均當(dāng)作無符號數(shù)均當(dāng)作無符號數(shù)128128和和128128，做加法運算的正確結(jié)果為，做加法運算的正確結(jié)果為256256，超出了，超出了8 8位無符位無符號數(shù)的表示范圍（號數(shù)的表示范圍（0 0255255）。）。V=1V=1：因為：因為C1Cf=1C1Cf=1，按照單符號判溢方法，表明有符號數(shù)運算，按照單符號判溢方法，表明有符號數(shù)運算發(fā)生溢出。實際上是

13、：把操作數(shù)發(fā)生溢出。實際上是：把操作數(shù)80H80H和和80H80H均當(dāng)作有符號數(shù)均當(dāng)作有符號數(shù)（補碼）（補碼）-128-128和和-128-128，做加法運算的正確結(jié)果為，做加法運算的正確結(jié)果為-256-256，超，超出了出了8 8位補碼機器數(shù)的表示范圍（位補碼機器數(shù)的表示范圍（-128-128+127+127）。）。N=0N=0：因為運算結(jié)果的最高位為：因為運算結(jié)果的最高位為0 0。顯然，因為。顯然，因為OF=1OF=1（發(fā)生了溢（發(fā)生了溢出），所以出），所以N N是錯誤的。是錯誤的。P=1P=1：結(jié)果中：結(jié)果中“1”1”的個數(shù)為的個數(shù)為0 0個，所以個，所以PF=1PF=1。17四、累加器

14、四、累加器在運算器中，累加器是在運算器中，累加器是專門存放算術(shù)或邏輯運算的一專門存放算術(shù)或邏輯運算的一個操作數(shù)和運算結(jié)果的寄存器個操作數(shù)和運算結(jié)果的寄存器。能。能進行加、減、讀出、進行加、減、讀出、移位、循環(huán)移位和求補等操作移位、循環(huán)移位和求補等操作。是運算器的主要部分。是運算器的主要部分。標準的例子標準的例子就是把就是把一列的數(shù)字加起來一列的數(shù)字加起來。一。一開始累加器開始累加器設(shè)定為零設(shè)定為零，每個數(shù)字，每個數(shù)字依序地被加到累加器中依序地被加到累加器中，當(dāng)所有，當(dāng)所有的數(shù)字都被加入后，的數(shù)字都被加入后，結(jié)果才寫回到主內(nèi)存中結(jié)果才寫回到主內(nèi)存中。 現(xiàn)今的現(xiàn)今的 CPU 通常有很多暫存器，都可

15、以被用來當(dāng)作通常有很多暫存器，都可以被用來當(dāng)作累加器。因此這個名詞已經(jīng)幾乎不在微處理器暫存器累加器。因此這個名詞已經(jīng)幾乎不在微處理器暫存器中使用，例如，運算暫存器中使用，例如，運算暫存器A中的名稱中的名稱A就是從就是從“accumulator”累加器這個歷史因素累加器這個歷史因素得來的。得來的。 18五、數(shù)據(jù)通路五、數(shù)據(jù)通路 數(shù)字系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)。 被傳送的被傳送的信號信號分為數(shù)據(jù)信號和控制信號分為數(shù)據(jù)信號和控制信號。 一般來說，一般來說，處理速度快的數(shù)字系統(tǒng)，它的獨處理速度快的數(shù)字系統(tǒng)，它的獨立傳送信息的通路較多立傳送信息的通路較多。但是。但是獨立數(shù)據(jù)傳送通路獨立數(shù)據(jù)

16、傳送通路一旦增加，控制器的設(shè)計也就復(fù)雜一旦增加，控制器的設(shè)計也就復(fù)雜了。因此，在了。因此，在滿足速度指標的前提下，為使數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量滿足速度指標的前提下，為使數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量簡單，一般小型系統(tǒng)中多采用簡單，一般小型系統(tǒng)中多采用單一總線結(jié)構(gòu)單一總線結(jié)構(gòu)。在。在較大系統(tǒng)中可采用較大系統(tǒng)中可采用雙總線或三總線結(jié)構(gòu)雙總線或三總線結(jié)構(gòu)。19五、數(shù)據(jù)通路五、數(shù)據(jù)通路20通用寄存器組通用寄存器組R：容量：容量1616個字，雙端口輸出個字，雙端口輸出 。暫存器暫存器A和和B：保存通用：保存通用寄存器組讀出的數(shù)據(jù)或寄存器組讀出的數(shù)據(jù)或BUS上來的數(shù)據(jù)。上來的數(shù)據(jù)。算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU：有：有S3S3

17、、S2S2、S1S1、S0S0、M M五個五個控制端，用以選擇運算控制端，用以選擇運算類型。類型。M M反相，反相，+1+1補碼，補碼，可計算減法?？捎嬎銣p法。21寄存器寄存器C：保存：保存ALU運算產(chǎn)生的運算產(chǎn)生的進位信號。進位信號。RAM隨機讀寫存隨機讀寫存儲器儲器：讀：讀/ /寫操作寫操作受受MRD/MWR控控制信號控制。制信號控制。MAR：RAM的專的專用地址寄存器，用地址寄存器，寄存器的長度決寄存器的長度決定定RAMRAM的容量。的容量。22IR： 專用寄存器專用寄存器，可存放由可存放由RAM讀出讀出的一個特殊數(shù)據(jù)。的一個特殊數(shù)據(jù)?？刂破骺刂破鳎河脕懋a(chǎn)生：用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)通路中的所有數(shù)據(jù)

18、通路中的所有控制信號，它們與控制信號，它們與各個子系統(tǒng)上的使各個子系統(tǒng)上的使能控制信號一一對能控制信號一一對應(yīng)。應(yīng)。BUS：單一數(shù)據(jù)總：單一數(shù)據(jù)總線，通過三態(tài)門與線，通過三態(tài)門與有關(guān)子系統(tǒng)進行連有關(guān)子系統(tǒng)進行連接。接。23五、數(shù)據(jù)通路五、數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)的來源于數(shù)據(jù)的來源于: :通用寄存器的輸出、程序計通用寄存器的輸出、程序計數(shù)器的輸出、數(shù)據(jù)寄存器的輸出、指令中相對位數(shù)器的輸出、數(shù)據(jù)寄存器的輸出、指令中相對位移量和常數(shù)移量和常數(shù)“0”0”等等。 在數(shù)據(jù)傳送中，常常會按一定的位移量送入在數(shù)據(jù)傳送中，常常會按一定的位移量送入暫存器或存儲器，以進行暫存器或存儲器，以進行移位計算移位計算或或轉(zhuǎn)移存儲地轉(zhuǎn)移

19、存儲地址址。 具體的移位操作有：具體的移位操作有：等。等。 24u算術(shù)右移：算術(shù)右移：各位按位右移，最低位向右移出，各位按位右移，最低位向右移出，最最高位產(chǎn)生的空位填入與原最高位相同的值高位產(chǎn)生的空位填入與原最高位相同的值，即符即符號位不變。移位后結(jié)果為原數(shù)的號位不變。移位后結(jié)果為原數(shù)的1/2 如如10101010右移一位為右移一位為11010101 再如再如P49x補補=0.1001,則右移一位為則右移一位為00100u算術(shù)左移：算術(shù)左移：各位按位左移，最高位向左移出，各位按位左移，最高位向左移出，最最低位產(chǎn)生的空位填入低位產(chǎn)生的空位填入0，即符號位可能有變。結(jié)即符號位可能有變。結(jié)果數(shù)據(jù)不定

20、。果數(shù)據(jù)不定。 如如10101010左移一位為左移一位為01010100 再如再如P49y補補=1.1001,則左移一位為則左移一位為1001025u輯邏右移：輯邏右移：各位按位右移，最低位向右移出，各位按位右移，最低位向右移出，最最高位空位填高位空位填0； 如如10101010右移一位為右移一位為01010101 再如再如P49y補補=1.1001,則右移一位為則右移一位為01100u輯邏左移：輯邏左移：各位按位左移，最高位向左移出，各位按位左移，最高位向左移出，最最低位空位填低位空位填0； 如如10101010左移一位為左移一位為01010100 再如再如P49x補補=0.1001,則左移一位為則左移一位為1001026如如1110 10111110 1011，其中，其中是添加的位是添加的位邏輯左移一位：邏輯左移一位：1101011011010110算術(shù)左移一位：算術(shù)左移一位：1101011011010110邏輯右移一位：邏輯右移一位：0111010101110101算術(shù)右移一位：算術(shù)右移一位：1111010111110101。 2728 總線：總線：能為多個部件分時共享的公共信息傳能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路送線路。u外部總線外部總線：系統(tǒng)總線。用于連接各大部件。：系統(tǒng)總線