计算机组成原理 [袁春风]chap3.pptVIP

第三章 运算器组织与运算方法 南京大学 计算机系 多媒体技术研究所 袁春风 3.1 运算器的基本组成 数据通路（运算器）的概念 运算器的基本功能是进行数据运算。ALU是其核心部件，是数据加工中心，但加工数据需由寄存器供给，加工后的数据要移位，对于双操作数和乘除运算还要提供联合移位功能，数据传送还要有传送线路(即内部总线)等等，因此，CPU 中的运算部件除ALU外，还必须有其他一些部件。这些部件总称为数据通路。 数据通路是指计算机的数据信息从一个部件传输到另一个部件所经过的路径，连同路径上的设备。如：寄存器、暂存器、多路选择器、移位器、加工部件等。 一个简单数据通路实例 一个四位数据通路芯片-AM2901A 现代计算机所用数据通路(流水线/超标量/...) 3.2 算术逻辑部件(ALU) ALU（Arithmetic Logic Unit）: 用来执行各种算术 和逻辑运算。 １位ALU 行波进位ALU 先行进位ALU ALU的核心是 加法器，以下 围绕加法器介绍 ALU功能描述 全加器逻辑图 3.2.2 行波进位ALU 　一个n位ALU可以由n个一位ALU串行构成。这种ALU称为行波进位ALU（Ripple-Carry ALU）。 全加逻辑方程：(i=0,1,…n) Si=ai⊕bi⊕Ci Ci+1=aibi+(ai+bi)Ci （延迟为2ty） 上述进位逻辑与下列逻辑等价。 Ci+1=aibi+(ai⊕bi)Ci （延迟为5ty） 　下面是一个4位行波进位ALU。 4位行波进位ALU 3.2.3 先行进位ALU (1)为什么用先行进位方式？ 行波进位是串行逐级传递的，整个和的生成受到行波进位的影响。因此，现代计算机采用一种先行进位(Carry look ahead)方式。 (2)如何产生先行进位？ 定义两个辅助函数：Gi=aibi…进位生成 Pi=ai⊕bi…进位传递 通常把实现上述逻辑的电路称为进位生成/传递部件 全加逻辑方程：Si=Pi⊕Ci Ci+1=Gi+PiCi (i=0,1,…n) 设n=4,则：C1=G0+P0C0 　　　　 　 C2=G1+P1C1=G1+P1G0+P1P0C0 C3=G2+P2C2=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0C0 C4=G3+P3C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C0 由上式可知:各进位之间无等待，相互独立并同时产生。 通常把实现上述逻辑的电路称为4位CLA部件 由此，根据Si=Pi⊕Ci ，可并行求出各位和。 通常把实现Si=Pi⊕Ci的电路称为求和部件 CLA加法器由“进位生成/传递部件”、“CLA部件”和“求和部件”构成。 8位全先行进位加法器 局部先行进位加法器 多级先行进位加法器 (3) 多级先行进位加法器 单级(局部)先行进位加法器的进位生成方式： “组内并行、组间串行” 所以，单级先行进位加法器虽然比行波加法器延迟时间短，但高位组进位依赖低位组进位，故仍有较长的时间延迟。 通过引入组进位生成/传递函数来实现“组内并行、组间也并行”的进位生成方式。 设n=4,则：C1=G0+P0C0 　　　　 　 C2=G1+P1C1=G1+P1G0+P1P0C0 C3=G2+P2C2=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0C0 G3*=G3+P3C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0 P3*=P3P2P1P0 所以C4 =G3*+P3*C0。把实现上述逻辑的电路称为4位BCLA部件。 两级先行进位加法器 先行进位ALU (4) 快速先行进位ALU SN74181是国际流行的四位ALU芯片，是中规模集成电路。它在原有先行进位加法器的基础上再附加部分线路，实现了按位逻辑运算，因此具有基本的算术运算和逻辑运算功能。 SN74181的逻辑图和功能表 SN74182是4位BCLA (成组先行进位)芯片。 用4个4位ALU芯片与1个4位BCLA芯片可构成16位ALU 用16个4位ALU芯片与4个4位BCLA芯片可构成64位ALU SN74181的引脚 SN74181和SN74182组成16位先行进位加法器 3.3 定点加、减运算 计算机内的加减运算一般用补码实现 1