計算機組成原理 第八章

定點運算器的組成和結構

1. 算術邏輯單元(簡稱ALU)

?　針對每一種算術運算，都必須有一個相對應的基本硬件配置，其核心部件是加法器和寄存器。當需完成邏輯運算時，勢必需要配置相應的邏輯電路， 而ALU電路是既能完成算術運算又能完成邏輯運算的部件。

一、ALU電路

下圖是ALU框圖。圖中Ai和Bi為輸入變量；Ki為控制信號，Ki的不同取值可決定該電路作哪一種算術運算或哪一種邏輯運算；Fi是輸出函數。

現在ALU電路已制成集成電路芯片，如74181是能完成四位二進制代碼的算邏運算部件ALUALU的基本邏輯結構是超前進位加法器，它通過改變加法器的進位產生函數G和進位傳遞函數P來獲得多種運算能力。

二、快速進位鏈為了提高運算速度，本節將通過對進位過程的分析設計快速進位鏈4位全加器如下圖所示：

將4個全加器相連可得4位加法器(圖2.7),但其加法時間長。這是因為其位間進位是串行傳送的。本位全加和Fi必須等低位進位Ci-1來到后才能進行，加法時間與位數有關。只有改變進位逐位傳送的路徑，才能提高加法器工作速度。解決辦法之一是采用“超前進位產生電路”來同時形成各位進位，從而實行快速加法。我們稱這種加法器為超前進位加法器。根據各位進位的形成條件，可分別寫出Ci的邏輯表達式：

C1=X1Y1+(X1+Y1)C0=G1+P1C0

其中: Gi=Xi·Yi 稱為進位產生函數

Pi=Xi+Yi 稱為進位傳遞函數

Gi的意義是：當 XiYi 均為“1”時定會產生向高位的進位

Pi的意義是：當Xi和Yi中有一個為“1”時，若同時低位有進位輸入,則本位也將向高位傳送進位。寫成通用式為：

C1=G1+P1C0

C2=G2+P2C1=G2+P2(G1+P1C0)= G2+P2G1+P2P1C0

C3=G3+P3 G2+ P3 P2G1+ P3 P2P1C0

C4=G4+P4 G3+ P4 P3 G2+ P4 P3 P2G1+ P4 P3 P2P1C0

當全加器的輸入均取反碼時，它的輸出也均取反碼。(應用反演律采用與非、或非、與或非表示)將上式改寫成如下：

根據上式可畫得“超前進位產生電路”及四位超前進位加法器的邏輯圖如下圖2.8。

基本思想---------- 由全加器擴展開來:

Fi = Ai ⊕Bi ⊕Ci

Ci+1=AiBi + BiCi + CiAi

加入控制參數s0~s3,對輸入

進行控制.此時全加器的輸

入變為Xi, Yi

一位全加器(FA)的邏輯表達式為

邏輯表達式

下圖為控制參數s0~s3與輸入量的關系:

S0 S1 Yi S2 S3 Xi

0 0 ~Ai 0 0 1

0 1 ~AiBi 0 1 ~Ai+~Bi

1 0 ~Ai~Bi 1 0 ~Ai+Bi

1 1 0 1 1 ~Ai

由上表,可得Xi,Yi的邏輯表達式(化簡后為)

Xi= S3AiBi + S2AiBi

Yi = Ai +S0Bi +S1Bi

故: XiYi=Yi

代入進位表達式,簡化為:

Cn+i+1 = Yi + XiCn+i

綜上所述:

ALU的某一位邏輯表達式可寫為:

Xi=S3AiBi + S2AiBi

Yi=Ai + S0Bi + S1Bi

Fi=Yi⊕ Xi⊕ Cn+I

Cn+i+1=Yi +XiCn+I

4位之間采用先行進位,則由上式,每一位的進位公式可遞推如下:

第0位向第一位的進位: Cn+1 = Y0 + X0Cn

第1 位向第2位的進位:

Cn+2=Y1+X1Cn+1= Y1+Y0X1+X0X1Cn

第2 位向第3位的進位:

Cn+3 =Y2+X2Cn+2

= Y2+Y1X1+Y0X1X2+X0X1X2Cn

第3 位向第4位的進位:

Cn+4 = Y3+Y2X3+Y1X2X3+Y0X1X2X3+X0X1X2X3Cn

設: G =Y3+Y2X3+Y1X2X3+Y0X1X2X3

P = X0X1X2X3

故: Cn+4 = G +PCn

這樣,對一片ALU來說,可有三個進位輸也,其中,G稱為進位發生輸出,P稱為進位傳送輸出.在電路中多加這兩個進位輸出的目的是為了便于實現多片ALU之間的先行進位.(第0位的進位輸入Cn可以直接傳到最高位上去,從而實高速運算).

下面通過介紹SN74181型四位ALU中規模集成電路了介紹ALU的原理。

?它能執行16種算術運算和16種邏輯運算，M是狀態控制端，M=H,

創作挑戰賽新人創作獎勵來咯，堅持創作打卡瓜分現金大獎

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机的定点运算器原理,计算机组成原理定点运算器的组成及结构.doc的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。