第三章 第五讲 运算器

第五讲第3章数据表示、运算和运算器部件2/1/20231要求：掌握运算器部件基本功能掌握定点运算器部件组成与控制方法理解运算器芯片Am2901组成、控制与操作2/1/202323.4.1运算器部件概述运算器部件在计算机系统中的作用

地位：是计算机5大功能部件之一，运算器由算术逻辑运算单元（ALU）、通用或专用寄存器组以及内部总线3部分构成。

功能：完成对数据算术或逻辑运算处理

2/1/202331、参加运算的数据来源，结果去向

（1）数据来源：数据通常来运算器自本身的寄存器；必须指定数据来自哪个寄存器；此外运算数据也可来自计算机内存储器或输入设备。

（2）结果去向：指定哪个寄存器来存结果？输出、存放运算结果：寄存器组、数据总线

暂存运算的中间结果：Q寄存器（乘商寄存器）2/1/20234

2、指明运算的种类运算器可以实现算术、逻辑运算（1）明确是何种运算？（2）明确一个运算周期是由多个时间段的组成。

一个运算周期控制信号的建立寄存器内容输出运算器执行运算运算结果输出到寄存器寄存器接收结果2/1/202353、运算器部件只有和计算机的其他部件连接才能协同完成运算指令的执行过程。（1）接收其他部件的输入数据；（2）向其他部件输出数据；（3）输入输出数据是通过总线实现的。2/1/20236总结

运算器部件要实现多种不同的功能，必须由控制器提供控制信号，运算器只是一个被动执行部件。

运算器的分类：（1）定点运算器（2）浮点运算器数据运算线路（组合逻辑）数据暂存线路（时序逻辑）控制信号输入数据2/1/20237

3.4.2定点运算器部件概述主要的知识点：1定点运算器的功能与组成2定点运算器的控制与操作

定点运算器的功能与组成（1）定点运算器主要完成对整型数据、逻辑型数据的算术与逻辑运算。算术与逻辑运算部件称为ALU。ALU在给出运算结果的同时；也要将结果特征信息保存在几个特定的触发器中。（2）运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一组寄存器承担，称通用寄存器，该寄存器可由程序员直接访问。2/1/20238（3）为了实现乘除指令运算，运算器中有一个可自行左右移位的专用寄存器——Q寄存器（乘商寄存器），不能被汇编程序员访问的专用寄存器。

（4）上述部件通过几组多路选择器电路实现相互连接，以便数据传送。（5）运算器还要与计算机其他几个功能部件连接在一起协同运行，这就必须有接受外部数据输入和输出运算结果的逻辑电路。运算器通常还作为处理机内部传送数据的重要通路。总结运算器，3大件（指上述的运算器组成的前3个部件），运算、暂存、乘除快（指运算组成的前3个部件各自承担的主要功能），

多路选通连起来（指上述的计算机组成的第4项内容）。2/1/202392.定点运算器的控制与操作(1)选哪一个（哪些）数据参加运算?来自哪里？(2)执行何种运算功能?(3)对运算结果（结果的值和特征）如何保存与输出?(4)怎么样从外部向运算器输入数据?(5)如何正确给出ALU最低位的进位信号？(6)如何给出运算器左右移位操作的移位输入信号?正确的控制信号和正确的数据来源才能保证运算器执行规定的运算功能。2/1/202310总结：数据组合有内外：（来自运算器内部）（来自运算器外部）。运算功能说明白（ALU执行何种运算功能）。存、移、输出巧安排（保存结果），（有移位操作）、（什么内容）。

2/1/2023113.4.3运算器芯片Am2901

主要的知识点Am2901内部组成Am2901控制与操作运算的外部数据来源2/1/2023121.运算器芯片Am2901内部组成

Am2901芯片是一个4位的位片结构的运算器器件，教学计算机采用16位字长，其运算器的主体部分用4片Am2901芯片级联而成。2/1/202313运算器部件：1、运算种类：2、输出4个结果的状态：

F=0000（结果为零）;Cn+4;最高位进位；

OVR（溢出；F3（符号）R+S、S-R、R-S，R∨S、R∧S、R∧S、R⊕S、R⊕S

ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4输出运算结果最低位进位信号2/1/202314（1）、双端口（A口和B口）控制读出；（2）、单端口（B口）控制写入的部件。（3）、A地址（寄存器编号）、B地址（寄存器编号）指定被读写的寄存器。2、寄存器组：由16个4位的通用寄存器组成的寄存器组。

B16个A通用寄存器B锁存器A锁存器A口地址B口地址Q寄存器3、一个4位的Q寄存器；主要用于实现乘法、除法指令，能对本身的内容完成左、右移位功能，能接受ALU的输出，输出送到ALU的输入端。

2/1/202315二选一三选一二选一三选一三选一Q3Q0RAM0RAM3Q寄存器

B16个A通用寄存器B锁存器A锁存器A口地址B口地址ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4输入D/OE输出Y二选一器件：A口数据、ALU的运算结果数据）选送出芯片标记为Y的输出端；

二选一器件：D输入端或者A锁存输出送到ALU的R输入端；

三选一器件：用于选择通用寄存器组的双路读出信息A和B，乘商寄存器Q的信息，以形成ALU的两路输入中的S的来源；三选一器件：ALU的输出结果左移一位的值、右移一位的值中选择其一，作为通用寄存器的写入信息，实现通用寄存器接收及移位功能。

三选一器件，用于选择Q寄存器左右移位的内容，或ALU的输出结果，送入Q寄存器。在Q寄存器进行左右移位操作时，与通用寄存器移位类似的是这里存在Q3和Q0的双向传送问题。

2/1/2023162.Am2901的控制与操作(1)选择ALU的8种运算(3种算术运算,5种逻辑运算)功能中的一种,这可通过提供3位功能选择码I5,I4,I3实现

选择码运算功能I5I4I3LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHHR+SS−RR−SRVSRVSR∧SR⊕SR⊕S

Q2/1/202317(2)选择送入ALU的两个操作数据R和S的组合关系(数据来源).选择码数据来源I2I1I0R端S端LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHHHHHAA000DDDQBQBAAQ0Q2/1/202318(3)运算结果或有关数据以什么方式送往何处,这主要指通过寄存器组和Q寄存器执不执行接收操作或移位操作,以及向芯片的输出信息端Y提供的是什么内容.选择码处理方式

I8I7I6通用寄存器组Q寄存器Y输出

LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHH

F→BF→BF/2→BF/2→B2F→B2F→BF→Q

Q/2→Q2Q→Q

FFAFFFFF

Q2/1/202319Q3Q0RAM0RAM3ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4数据组合选择I2I1I0运算功能选择I5I4I3运算结果处理I8I7I6运算暂存乘除快存移输出巧安排运算器，三大件运算暂存乘除快多路选通连起来多路选通连起来存移输出巧安排存移输出巧安排数据组合有内外运算功能指明白存移输出巧安排Q寄存器输入D

B16个A通用寄存器B锁存器A锁存器A口地址B口地址二选一三选一二选一三选一三选一/OE输出Y2/1/202320组成：算术与逻辑运算部件

16个累加器乘商寄存器Q5组多路选择门功能：8种运算功能(I5,I4,I3)8种数据组合(I2,I1,I0)8种结果处理(I8,I7,I6)Am2901内部组成2/1/20232116位运算器的操作使用操作功能控制信号B口A口SSTI8~6I5~3I2~0CnSSHR0R0+R1R2R2R0

R0

DATA00000110001000001000001000000110010011010000011****000111//0010010010001SCi00数据来源(I2I1I0)数据去向(I8I7II6)运算种类(I5I4II3)2/1/202322(1)通过D端接收外部线路来的数据.(2)正确给出芯片的最低位的进位输入信号Cn,这需要在Am2901之外用另外的电路解决.(3)左右移位操作过程中的RAM3和RAM0,Q3和Q0的处理：a.当左移操作时,RAM3与Q3为输出,RAM0和Q0为输入;b.当右移操作时,RAM0和Q0为输出,RAM3和Q3为输入;这是由I8和I7共同控制的.这几个外部信息的接收与送入,需要在AM2901芯片之外用另外的电路解决.3.外部数据2/1/20232