计算机组成原理第二章(第六讲)课件.ppt

计算机组成原理;第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统 第九章 并行组织;? 上一讲回顾; 运算器是数据的加工处理部件，是CPU的重要组成部分； 最基本的结构中包含：算术/逻辑运算单元、数据缓存寄存器、通用寄存器、多路转换器和数据总线等逻辑构件。; 由一位全加器(FA)构成的行波进位加法器，它可以实现补码数的加法运算和减法运算。但是这种加法/减法器存在两个问题： （1）由于串行进位，它的运算时间很长。假如加法器由n位全加器构成，每一位的进位延迟时间为20ns，那么最坏情况下， 进位信号从最低位传递到最高位而最后输出稳定，至少需要n*20ns，这在高速计算中显然是不利的。 （2）就行波进位加法器本身来说，它只能完成加法和减法两种操作而不能完成逻辑操作。 本节我们介绍的多功能算术/逻辑运算单元(ALU)不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能，而且具有先行进位逻辑， 从而能实现高速运算。 ;1. 基本思想; 我们将Ai和Bi先组合成由控制参数S0，S1，S2，S3控制的组合函数Xi和Yi，然后再将Xi，Yi和下一位进位数通过全加器进行全加。这样，不同的控制参数可以得到不同的组合函数，因而能够实现多种算术运算和逻辑运算。 ; 控制参数S0 ，S1 ，S2 ，S3 分别控制输入Ai 和Bi ，产生Y和X的函数。其中Yi是受S0 、S1控制的Ai和Bi的组合函数，而Xi是受S2 、S3控制的Ai和Bi组合函数，其函数关系如表2.5所示。 ; 根据上面所列的函数关系,即可列出Xi和Yi的逻辑表达式： ; 4位之间采用先行进位公式,根据式（2.36）,每一位的进位公式可递推如下： 　　第0位向第1位的进位公式为 Cn＋1＝Y0＋X0Cn 　　其中Cn是向第0位（末位）的进位。 　　第1位向第2位的进位公式为 Cn＋2＝Y1＋X1Cn＋1＝Y1＋Y0X1＋X0X1Cn　 　　第2位向第3位的进位公式为 Cn＋3＝Y2＋X2Cn＋2＝Y2＋Y1X1＋Y0X1X2＋X0X1X2Cn 　　第3位的进位输出（即整个4位运算进位输出）公式为 Cn＋4＝Y3＋X3Cn＋3＝Y3＋Y2X3＋Y1X2X3＋Y0X1X2X3＋X0X1X2X3Cn 　　设　　　　　　　　　　G＝Y3＋Y2X3＋Y1X2X3＋Y0X1X2X3　　　　　　　　　　P＝X0X1X2X3 则 Cn＋4＝G＋PCn (2.37) ; 这样,对一片ALU来说,可有三个进位输出。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（组）ALU之间的先行进位,为此还需一个配合电路,称之为先行进位发生器(CLA),下面还要介绍。 　　Cn+4是本片(组)的最后进位输出。逻辑表达式表明,这是一个先行进位逻辑。换句话说,第0位的进位输入Cn可以直接传送到最高位上去,因而可以实现高速运算。 　　用正逻辑表示的4位算术/逻辑运算单元(ALU)的逻辑电路图如下图所示,它是根据上面的原始推导公式用TTL电路实现的。这个期间的商业标号为74181ALU。;曰妹服合潘官粳邹波厌颖赛一础裁篓皋胯嚎他乃岁蓑顽种靖粤挎搜啮雍帘计算机组成原理第二章(第六讲)课件计算机组成原理第二章(第六讲)课件; 上演示图中除了S0－S3四个控制端外,还有一个控制端Ｍ,它使用来控制ALU是进行算术运算还是进行逻辑运算的。 　　当Ｍ＝0时,Ｍ对进位信号没有任何影响。此时F 不仅与本位的被操作数Y和操作数X 有关,而且与本位的进位输出,即C 有关,因此Ｍ＝0时,进行算术操作。 　　当Ｍ＝1时,封锁了各位的进位输出,即C ＝0,因此各位的运算结果F 仅与Y 和X 有关,故Ｍ＝1时,进行逻辑操作。 ; 图2.12(b)示出了工作于负逻辑和正逻辑操作数方式的74181ALU方框图。显然,这个器件执行的正逻辑输入/输出方式的一组算术运算和逻辑操作与负逻辑输入/输出方式的一组算术运算和逻辑操作是等效的。; 表2.6列出了74181ALU的运算功能表，它有两种工作方式。对正逻辑操作数来说，算术运算称高电平操作，逻辑运算称正逻辑操作(即高电平为“1”，低电平为“0”)。对于负逻辑操作数来说，正好相反。由于S －S 有16种状态组合，因此对正逻辑输入与输出而言，有16种算术运算功能和16种逻辑运算