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  • 在运算器中不包括
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    2021-07-30 21:00:25

    什么是运算器?

    运算器:arithmetic unit,计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件

    运算器的组成?

    运算器由

    算术逻辑单元(ALU)、
    累加寄存器(AC)、
    数据缓冲寄存器(DR)
    状态条件寄存器(PSW)
    

    组成,它是数据加工处理部件,完成计算机的各种算术和逻辑运算。

    相对控制器而言,运算器接受控制器的命令而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。

    运算器的功能是什么?

    运算器有两个主要功能:

    (1)执行所有的算术运算,如加、减、乘、除等基本运算及附加运算。
    (2)执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试,如与、或、非、零值测试或两个值的比较等。
    

    ps

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    在各种计算机中,运算器的结构虽然有区别,但必须包含如下几个基本部分,即加法器、通用寄存器、输入数据选择电路和输出数据控制电路等。

    加法器

    加法器的主要作用是实现两个数的相加运算,对逻辑运算也给予一定的支持,并且常作为传送数据的通路使用。

    通用寄存器

    通用寄存器组中有若干个寄存器是用来暂时存放参加运算的数据和运算结果(或中间结果)的。这是因为要将从主存储器中取出的参加运算的数据,立即送到加法器中进行处理还存在一些问题,例如在对两个数据进行操作的情况下是不可能从存储器中同时取出两个数据并直接送入加法器中处理的,而通常是利用寄存器来暂时存放将要参加运算处理的数据。在前几节介绍的运算方法中,参加运算的数可看做是由运算器的通用寄存器直接提供的。另外有些寄存器可作变址寄存器、状态寄存器、堆栈指示器使用。不同的机器对这组寄存器使用的情况和设置的个数也不相同。

    输入数据选择电路

    输入数据选择电路是对送入加法器的数据进行选择和控制的电路。其作用为:一是用来选择将哪一个或哪两个数据(数据来源于寄存器或总线等部件)送入加法器;二是用来控制数据以何种编码形式(原、反、补码)送入加法器。常称这部分电路为多路开关或多路转换器。这部分电路通常有实现某些逻辑运算的电路,它们也是由与、或、非门组成的。

    输出数据控制电路

    输出数据控制电路是一种对加法器输出数据进行控制的电路。这部分电路一般具有移位功能,并具有将加法器输出的数据送到运算器通用寄存器的通路和送往总线的控制电路。

    运算器包括ALU、阵列乘除器、寄存器、多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。运算器的设计,主要是围绕ALU和寄存器同数据总线之间如何传送操作数和运算结果进行的。在决定方案时,需要考虑数据传送的方便性和操作速度,在微型机和单片机中还要考虑在硅片上制作总线的工艺。计算机的运算器大体有如下三种结构形式:

    单总线结构的运算器

    单总线结构的运算器如图2-22(a)所示。由于所有部件都接到同一总线上,所以数据可以在任何两个寄存器之间,或者在任一个寄存器和ALU之间传送。如果具有阵列乘法器或除法器,那么它们所处的位置应与ALU相当。对这种结构的运算器来说,在同一时间内,只能有一个操作数放在单总线上。为了把两个操作数输入到ALU,需要分两次来做,而且还需要A,B两个缓冲寄存器。这种结构的主要缺点是操作速度较慢。虽然在这种结构中输入数据和操作结果需要三次串行的选通操作,但它并不会对每种指令都增加很多执行时间。只有当两个操作数都来自寄存器时,单总线结构的运算器才会造成一定的时间损失。但是由于它只控制一条总线,故控制电路比较简单。

    双总线结构的运算器

    双总线结构的运算器如图2-22(b)所示。在这种结构中,两个操作数同时加到ALU进行运算,只需一次操作控制,而且马上就可以得到运算结果。图中,两条总线各自把其数据送至ALU的输入端。特殊寄存器分为两组,它们分别与一条总线交换数据。这样,通用寄存器中的数据就可进入到任一组特殊寄存器中去,从而使数据传送更为灵活。ALU的输出不能直接加到总线上去。这是因为,当形成操作结果的输出时,两条总线都被输入数据占据,因而必须在ALU输出端设置缓冲寄存器。为此,操作的控制要分两步完成:在ALU的两个输入端输入操作数,形成结果并送入缓冲寄存器;把结果送入目的寄存器。假如在总线1、2和ALU输入端之间再各加一个输入缓冲寄存器,并把两个输入数据先放至这两个缓冲寄存器,那么,ALU输出端就可以直接把操作结果送至总线1或总线2上去。

    三总线结构的运算器

    三总线结构的运算器如图2-22(c)所示。在三总线结构中,ALU的两个输入端分别由两条总线供给,而ALU的输出则与第三条总线相连。这样,算术逻辑操作就可以在一步的控制之内完成。由于ALU本身有时间延迟,所以打入输出结果的选通脉冲必须考虑这个延迟。另外,设置了一个总线旁路器。如果一个操作数据不需要修改,而直接从总线2传送到总线3,那么可以通过控制总线旁路器把数据传出;如果一个操作数传送时需要修改,那么就借助于ALU。显然,三总线结构运算器的特点是操作时间快。

    图2-22 运算器基本结构图

    从上面的讨论可以看出,除加法器外,其他部分的逻辑实现是比较简单的。

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    运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元(ALU)的基本功能为加、减、乘、除四则运算,与、或、非、异或等逻辑操作,以及移位、求补等操作。计算机运行时,运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器;处理后的结果数据通常送回存储器,或暂时寄存在运算器中。与Control Unit共同组成了CPU的核心部分。

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    各组成部分的功能简要介绍

    ALU:算术逻辑单元,核心部件。实现基本算术、逻辑运算。

    暂存器:用来存放参与计算的数据及运算结果。它只对硬件设计者可见,即只被控制器硬件逻辑控制或微程序所访问。

    通用寄存器组:用于存放程序中用到的数据。它可以被软件设计者所访问。

    内部总线:用于连接各个部件的信息通道。传输运算过程中的数据。

    算术逻辑部件( arithmeTIc unit) :

    计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算,与、或、非、异或等逻辑操作,以及移位、比较和传送等操作。

    1、ALU的特点:

    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。

    2、ALU的处理数据能力:

    运算器的处理对象是数据,所以数据长度和计算机数据表示方法,对运算器的性能影响极大。70年代大多数通用计算机则以16、32、64位作为运算器处理数据的长度。

    能对一个数据运算器的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。

    如果一次只处理一位,则称为串行运算器。

    有的运算器把一个完整的数据分成若干段进行计算,称为串/并行运算器。

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    通过74181ALU功能表,我们了解到当M=0(L低电平) 时,实现算术运算; 当M=1(H高电平)时,实现逻辑运算。

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    表中,算术运算用“加”和“减”汉字表示,而+表示逻辑运算的或。减法是用补码运算的,其中减数的反码在内部产生,输出“A减B减1”(倒数第2行),因此在做减法时,需在最低位产生一个强迫进位(+1),以便产生A减B的结果。

    通用寄存器

    通用寄存器可用于传送和暂存数据,也可参与算术逻辑运算,并保存运算结果。除此之外,它们还各自具有一些特殊功能。通用寄存器的长度取决于机器字长,它是计算机中存取速度最快的存储器。因每个寄存器的一般用途和特殊用途有很大的差异,因而汇编语言程序员必须熟悉只有这样,才能在程序中做到正确,合理地使用它们。

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    状态寄存器

    状态寄存器用来记录算术、逻辑运算或测试操作的结果状态。程序设计中,这些状态通常用作条件转移指令的判断条件,所以又称为条件码寄存器。一般均设置如下几种状态位:

    1)零标志位(Z):当运算结果为 0 时,Z 位置“1”;非 0 时,置“0”;

    2)负标志位(N):当运算结果为负时,N 位置“1”;为正时,置“0”;

    3)溢出标志位(V):当运算结果发生溢出时,V 位置“1”;无溢出时,置“0”;

    4)进位或借位标志(C):在做加法时,如果运算结果最高有效位(对于有符号数来说,即符号位;对无符号数来说,即数值最高位)向前产生进位时,C 位置“1”;无进位时,置“0”。在做减法时,如果不够减,最高有效位向前有借位(这时向前无进位产生)时,C 位置“1”;无借位(即有进位产生)时,C 位置“0”。除上述状态外,状态寄存器还常设有保存有关中断和机器工作状态(用户态或核心态)等信息的一些标志位(应当说明,不同的机器规定的内容和标志符号不完全相同),以便及时反映机器运行程序的工作状态,所以有的机器称它为“程序状态字”或“处理机状态字”(Processor Status Word,PSW )。

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