第五講第3章數據表示、運算和運算器部件2/1/20231要求：掌握運算器部件基本功能掌握定點運算器部件組成與控制方法理解運算器芯片Am2901組成、控制與操作2/1/202323.4.1運算器部件概述運算器部件在計算機系統中的作用

地位：是計算機5大功能部件之一，運算器由算術邏輯運算單元（ALU）、通用或專用寄存器組以及內部總線3部分構成。

功能：完成對數據算術或邏輯運算處理

2/1/202331、參加運算的數據來源，結果去向

（1）數據來源：數據通常來運算器自本身的寄存器；必須指定數據來自哪個寄存器；此外運算數據也可來自計算機內存儲器或輸入設備。

（2）結果去向：指定哪個寄存器來存結果？輸出、存放運算結果：寄存器組、數據總線

暫存運算的中間結果：Q寄存器（乘商寄存器）2/1/20234

2、指明運算的種類運算器可以實現算術、邏輯運算（1）明確是何種運算？（2）明確一個運算周期是由多個時間段的組成。

一個運算周期控制信號的建立寄存器內容輸出運算器執行運算運算結果輸出到寄存器寄存器接收結果2/1/202353、運算器部件只有和計算機的其他部件連接才能協同完成運算指令的執行過程。（1）接收其他部件的輸入數據；（2）向其他部件輸出數據；（3）輸入輸出數據是通過總線實現的。2/1/20236總結

運算器部件要實現多種不同的功能，必須由控制器提供控制信號，運算器只是一個被動執行部件。

運算器的分類：（1）定點運算器（2）浮點運算器數據運算線路（組合邏輯）數據暫存線路（時序邏輯）控制信號輸入數據2/1/20237

3.4.2定點運算器部件概述主要的知識點：1定點運算器的功能與組成2定點運算器的控制與操作

定點運算器的功能與組成（1）定點運算器主要完成對整型數據、邏輯型數據的算術與邏輯運算。算術與邏輯運算部件稱為ALU。ALU在給出運算結果的同時；也要將結果特征信息保存在幾個特定的觸發器中。（2）運算器的第二項功能，是暫存將參加運算的數據和中間結果，由其內部的一組寄存器承擔，稱通用寄存器，該寄存器可由程序員直接訪問。2/1/20238（3）為了實現乘除指令運算，運算器中有一個可自行左右移位的專用寄存器——Q寄存器（乘商寄存器），不能被匯編程序員訪問的專用寄存器。

（4）上述部件通過幾組多路選擇器電路實現相互連接，以便數據傳送。（5）運算器還要與計算機其他幾個功能部件連接在一起協同運行，這就必須有接受外部數據輸入和輸出運算結果的邏輯電路。運算器通常還作為處理機內部傳送數據的重要通路。總結運算器，3大件（指上述的運算器組成的前3個部件），運算、暫存、乘除快（指運算組成的前3個部件各自承擔的主要功能），

多路選通連起來（指上述的計算機組成的第4項內容）。2/1/202392.定點運算器的控制與操作(1)選哪一個（哪些）數據參加運算?來自哪里？(2)執行何種運算功能?(3)對運算結果（結果的值和特征）如何保存與輸出?(4)怎么樣從外部向運算器輸入數據?(5)如何正確給出ALU最低位的進位信號？(6)如何給出運算器左右移位操作的移位輸入信號?正確的控制信號和正確的數據來源才能保證運算器執行規定的運算功能。2/1/202310總結：數據組合有內外：（來自運算器內部）（來自運算器外部）。運算功能說明白（ALU執行何種運算功能）。存、移、輸出巧安排（保存結果），（有移位操作）、（什么內容）。

2/1/2023113.4.3運算器芯片Am2901

主要的知識點Am2901內部組成Am2901控制與操作運算的外部數據來源2/1/2023121.運算器芯片Am2901內部組成

Am2901芯片是一個4位的位片結構的運算器器件，教學計算機采用16位字長，其運算器的主體部分用4片Am2901芯片級聯而成。2/1/202313運算器部件：1、運算種類：2、輸出4個結果的狀態：

F=0000（結果為零）;Cn+4;最高位進位；

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

ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4輸出運算結果最低位進位信號2/1/202314（1）、雙端口（A口和B口）控制讀出；（2）、單端口（B口）控制寫入的部件。（3）、A地址（寄存器編號）、B地址（寄存器編號）指定被讀寫的寄存器。2、寄存器組：由16個4位的通用寄存器組成的寄存器組。

B16個A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址Q寄存器3、一個4位的Q寄存器；主要用于實現乘法、除法指令，能對本身的內容完成左、右移位功能，能接受ALU的輸出，輸出送到ALU的輸入端。

2/1/202315二選一三選一二選一三選一三選一Q3Q0RAM0RAM3Q寄存器

B16個A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4輸入D/OE輸出Y二選一器件：A口數據、ALU的運算結果數據）選送出芯片標記為Y的輸出端；

二選一器件：D輸入端或者A鎖存輸出送到ALU的R輸入端；

三選一器件：用于選擇通用寄存器組的雙路讀出信息A和B，乘商寄存器Q的信息，以形成ALU的兩路輸入中的S的來源；三選一器件：ALU的輸出結果左移一位的值、右移一位的值中選擇其一，作為通用寄存器的寫入信息，實現通用寄存器接收及移位功能。

三選一器件，用于選擇Q寄存器左右移位的內容，或ALU的輸出結果，送入Q寄存器。在Q寄存器進行左右移位操作時，與通用寄存器移位類似的是這里存在Q3和Q0的雙向傳送問題。

2/1/2023162.Am2901的控制與操作(1)選擇ALU的8種運算(3種算術運算,5種邏輯運算)功能中的一種,這可通過提供3位功能選擇碼I5,I4,I3實現

選擇碼運算功能I5I4I3LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHHR+SS?RR?SRVSRVSR∧SR⊕SR⊕S

Q2/1/202317(2)選擇送入ALU的兩個操作數據R和S的組合關系(數據來源).選擇碼數據來源I2I1I0R端S端LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHHHHHAA000DDDQBQBAAQ0Q2/1/202318(3)運算結果或有關數據以什么方式送往何處,這主要指通過寄存器組和Q寄存器執不執行接收操作或移位操作,以及向芯片的輸出信息端Y提供的是什么內容.選擇碼處理方式

I8I7I6通用寄存器組Q寄存器Y輸出

LLLLLHLHLLHHHLLHLHHHLHHH

F→BF→BF/2→BF/2→B2F→B2F→BF→Q

Q/2→Q2Q→Q

FFAFFFFF

Q2/1/202319Q3Q0RAM0RAM3ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4數據組合選擇I2I1I0運算功能選擇I5I4I3運算結果處理I8I7I6運算暫存乘除快存移輸出巧安排運算器，三大件運算暫存乘除快多路選通連起來多路選通連起來存移輸出巧安排存移輸出巧安排數據組合有內外運算功能指明白存移輸出巧安排Q寄存器輸入D

B16個A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址二選一三選一二選一三選一三選一/OE輸出Y2/1/202320組成：算術與邏輯運算部件

16個累加器乘商寄存器Q5組多路選擇門功能：8種運算功能(I5,I4,I3)8種數據組合(I2,I1,I0)8種結果處理(I8,I7,I6)Am2901內部組成2/1/20232116位運算器的操作使用操作功能控制信號B口A口SSTI8~6I5~3I2~0CnSSHR0R0+R1R2R2R0

R0

DATA00000110001000001000001000000110010011010000011****000111//0010010010001SCi00數據來源(I2I1I0)數據去向(I8I7II6)運算種類(I5I4II3)2/1/202322(1)通過D端接收外部線路來的數據.(2)正確給出芯片的最低位的進位輸入信號Cn,這需要在Am2901之外用另外的電路解決.(3)左右移位操作過程中的RAM3和RAM0,Q3和Q0的處理：a.當左移操作時,RAM3與Q3為輸出,RAM0和Q0為輸入;b.當右移操作時,RAM0和Q0為輸出,RAM3和Q3為輸入;這是由I8和I7共同控制的.這幾個外部信息的接收與送入,需要在AM2901芯片之外用另外的電路解決.3.外部數據2/1/20232