《运算器和运算方法》PPT课件.ppt

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1、第3章运算器和运算方法3.1定点运算器的组成和结构3.2算术逻辑运算的基本电路3.3定点加/减法运算3.1定点运算器的组成和结构定点运算器由算术逻辑运算单元（ALU）、输入数据选择电路、通用寄存器组、输出数据分配电路组成，如下页图所示。其中算术逻辑运算单元的核心部件是加法器，而加法器的逻辑组成包括加法单元与进位传递逻辑单元。CPU的结构3.1.1算术逻辑运算单元（ALU）运算器中完成数据算术与逻辑运算的部件称为算术逻辑运算单元（ArithmeticandLogicUnit，ALU）。如CPU结构图所示，ALU是运算器的核心，通常表示为两

2、个输入端口，一个输出端口和多个功能控制信号端的一个逻辑符号。ALU处理数据的位数与机器的字长有关。3.1.2通用寄存器组现代计算机的中央处理器中都有一组通用寄存器，主要用于保存参加运算的操作数和运算结果。之所以在现代计算机中加入通用寄存器是因为它的存取速度要远远高于内存储器的速度。通用寄存器的数量越多，对提高运算器性能和程序执行速度越有利。通用寄存器组是对用户开放的，可以通过指令去使用这些寄存器。如上图所示，8086微处理器有14个16位寄存器，包括8个通用寄存器，1个指令指针寄存器，1个标志寄存器，4个段寄存器。它们都有名称，编程时使用

3、其名称代表其保存的内容。3.1.3状态寄存器状态寄存器主要用于记录一些运算结果的状态。通常情况下，状态寄存器由以下几种标志状态位组成：V（溢出标志位）：当运算结果有溢出时，该位被置位；当运算结果没有溢出时，该位被清0。Z（零标志位）：当运算结果为0时，该位被置位；当运算结果不为0时，该位被清0。C（进位或借位标志位）：当作加法时如果最高位向前有进位，或当作减法时最高位向前无借位，该标志位被置位；当作加法时如果最高位向前无进位，或当作减法时最高位向前有借位，该标志位被清0。N（符号标志位）：当运算结果为负数时，该位被置位；当运算结果为正数时

4、，该位被清0。3.1.4数据通路从一个功能部件向另一个功能部件传送数据所经过的功能部件、总线等称为数据通路。下面以CPU结构图所示的CPU的各功能部件的右半部分运算器为例，解释其数据通路，进而说明运算器的工作过程。在图中，MUX1和MUX2分别是两个多路数据选择器，用来选择当前哪两组数据送到ALU中。MUX1数据有两个来源：通用寄存器的输出和指令中的相对位移量。MUX2数据有3个来源：通用寄存器的输出、数据寄存器的输出和程序计数器的输出。ALU的输出信息通过内部数据总线送到通用寄存器中。如果通用寄存器有两个输出端口RA和RB，有一个输入端

5、口RL。寄存器中的数据用补码表示。并且寄存器1用R1表示，寄存器2用R2表示，寄存器3用R3表示。运算之前R1=1100，R2=0110，V、Z、C、N标志位都为0。进行下面的操作后，请问标志位V、Z、C、N和R3的值如何变化？1．R1+R2，结果送到R3中操作过程：R1的内容通过端口RA输出，MUX1将RA的内容送入ALU的A输入端；R2的内容通过端口RB输出，MUX2将RB的内容送入ALU的B输入端。ALU进行A+B操作，从Y输出端输出结果，并存入R2寄存器中。ALU中的运算：1100+011010010送往进位位所以R3=0010，

6、标志位C由0变为1，其他标志位不变。2．求与R1相补的数操作过程：R1的内容通过端口RB输出，经过MUX2的选择，将RB的内容送入ALU的B输入端。在MUX1处选择常数“0”送入ALU的A输入端，ALU进行A-B操作，从Y输出端输出结果，并存入R3寄存器中。由于运算器要进行的是补码运算，A-B的功能是通过[A]补+[-B]补来完成的。ALU中的运算：[A]补0000+[-B]补0100[0-B]补0100所以R3=0100，结果为负，N标志位由0变为1，其他标志位不变。3．利用运算器计算操作数地址或转移地址如果当前执行转移指令，转移地址由

7、程序计数器的值加上相对位移量得出。操作过程：MUX1选择指令寄存器中的相对位移量送入ALU的A输入端，MUX2选择程序计数器PC的内容送入ALU的B输入端，ALU进行A+B运算，从Y输出端输出结果，并存入PC中，即为转移地址。下次执行指令就从转移地址开始执行。4．关于移位操作这里以4位二进制数最左边一位为符号位为例，来说明移位操作的规则和操作结果。（1）算术左移SAL原数X3X2X1X0算术左移一位之后变为可见，算术左移时，最高位被移出，用0来补充最低位。移位后的结果（如果没有溢出发生）是原数的2倍。在没有溢出的情况下，如果左移n位，则移

8、位后的结果是原数的2n倍；若有溢出情况发生，则移位后的结果数据不定。X3X2X1X0X2X1X00（2）算术右移SAR原数X3X2X1X0算术右移一位之后变为可见，算术右移时，最低位被移出，最