计算机组成原理第4章数值的机器运算课件.ppt

* 4.9 运算器的基本组成与实例 运算器是在控制器的控制下实现其功能的。运算器不仅可以完成数据信息的算逻运算，还可以作为数据信息的传送通路。 * 4.9.1 运算器结构 1.运算器的基本组成 基本的运算器包含以下几个部分：实现基本算术、逻辑运算功能的ALU，提供操作数与暂存结果的寄存器组，有关的判别逻辑和控制电路等。 运算器内的各功能模块之间的连接也广泛采用总线结构，这个总线称为运算器的内部总线，ALU和各寄存器都挂在上面。运算器的内部总线是CPU的内部数据通路，因此只有数据线。 * 1.运算器的基本组成（续） ⑴带多路选择器的运算器 各寄存器可以独立、多路地将数据送至ALU的多路选择器，使ALU有选择地同时获得两路输入数据。运算器的内部总线是一组单向传送的数据线，它将运算结果送往各寄存器，由寄存器的同步打入脉冲CPi将内部总线上的数据送入Ri。如果同时发出几个打入脉冲，则可将总线上的同一数据同时送入几个相关的寄存器中。 * 带多路选择器的运算器 图4-24 带多路选择器的运算器 * 1.运算器的基本组成（续） ⑵带输入锁存器的运算器 运算器的内部总线是一组双向传送的数据线。为了进行双操作数之间的运算操作，ALU输入端前设置了一级锁存器，可暂存操作数。例如，要实现(R0)+(R1)→R2，可通过内部总线先将R0中的数据送入锁存器1，再通过内部总线将R1中的数据送入锁存器2，然后相加，并将结果经总线送入R2。 * 带输入锁存器的运算器 图4-25 带输入锁存器的运算器 * 2.运算器的内部总线结构 ⑴单总线结构运算器 图4-25就是单总线结构运算器。这种结构的运算器实现一次双操作数的运算需要分成三步，它的主要缺点是操作速度慢。 * 2.运算器的内部总线结构（续） ⑵双总线结构运算器 两个操作数可以分别通过总线1和总线2同时送到ALU去进行运算，并且立即可以得到运算的结果。但是ALU的输出不能直接送到总线上去，这是因为此时两条总线都被操作数所占据着，所以必须在ALU的输出端设置一个缓冲器，先将运算结果送入缓冲器，第二步再把结果送至目的寄存器。显然，它的执行速度比单总线要快，每次操作比单总线少一步。 * 双总线结构运算器 图4-26(a) 双总线结构运算器 * 2.运算器的内部总线结构（续） ⑶三总线结构运算器 ALU的两个输入端分别由两条总线供给，输出与第三条总线相连，这样算逻操作就可以在一步控制之内完成。如果某一个数不需要运算和修改，而需要直接由总线2传到总线3，可通过总线旁路器把数据送出，而不必借助于ALU。三总线结构的特点是操作速度快，但控制较前两种复杂。 * 三总线结构运算器 图4-26(b) 三总线结构运算器 * 4.9.2 ALU举例 1.ALU电路 ALU即算术逻辑单元，它是既能完成算术运算又能完成逻辑运算的部件。前面已经讨论过，无论是加、减、乘、除运算，最终都能归结为加法运算。因此，ALU的核心首先应当是一个并行加法器，同时也能执行像“与”、“或”、“非”、“异或”这样的逻辑运算。 * 2.4位ALU芯片 以典型的4位ALU芯片（74181）为例介绍ALU的结构及应用。74181能执行16种算术运算和16种逻辑运算。 图4-27(a) 74181 芯片方框图 * 3.ALU的应用 74181的4位作为一个小组，小组间既可以采用串行进位，也可以采用并行进位。当采用串行进位时，只要把低一片的Cn+4与高一片的Cn相连即可。当采用组间并行进位时，需要增加一片74182，这是一个先行进位部件。74182可以产生3个进位信号Cn+x、Cn+y、Cn+z，并且还产生大组进位产生函数和进位传递函数。 * 74182芯片方框图 图4-28 74182芯片方框图 * 3.ALU的应用（续） 各片74181输出的组进位产生函数和组进位传递函数作为74182的输入，而74182输出的进位信号Cn+x、Cn+y、Cn+x作为74181的输入，74182输出的大组进位产生函数和大组进位传递函数可作为更高一级74182的输入。 * 4.9.3 浮点运算器举例 1.80x87的数据格式 80x87可处理7种不同的数据类型。对整数来说，最高位为符号位，用补码表示，有16、32和64位三种格式。压缩的十进制数串是用特殊形式表示的整数。十进制数的一位用4位二进制表示，80位的低