【正文】 由于進位是逐位形成,低位運算所產(chǎn)生的進位會影響高位的運算結(jié)果.串行進位(也稱波形進位)加法器,邏輯電路比較簡單,但是最高位的加法運算,一定要等到所有低位的加法完成之后才能進行,低位的進位要逐步的傳遞到高位,逐級產(chǎn)生進位,因此運算速度比較慢.2)并行進位加法器為了提高運算速度,減少延遲時間,可以采用并行進位法,也叫提前進位或先行進位.全加器中,輸入Ai ,Bi,Ci1,輸出:Si = Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1Ci = Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1 = Ai Bi + (Ai+Bi)Ci1進位產(chǎn)生函數(shù):Gi = Ai Bi進位傳遞函數(shù):Pi = Ai+BiCi = Gi + Pi Ci1C4 = G4 + P4G3 + P4P3G2 + P4P3P2G1 + P4P3P2P1C0并行進位加法器的運算速度很快,形成最高進位輸出的延遲時間很短,往往將加法器分成若干組,在組內(nèi)采用并行進位,組間則采用串行進位或并行進位,由此形成多種進位結(jié)構(gòu).(1)單級先行進位單級先行進位方式將n位字長分為若干組,每組內(nèi)采用并行進位方式,組與組之間冊采用串行進位方式.(2)多級先行進位多級先行進位在組內(nèi)和組間都采用先行進位方式.16位單級先行進位加法器2. 算術(shù)邏輯單元ALU的功能和機構(gòu)ALU部件是運算器中的主要組成部分,又稱多功能函數(shù)發(fā)生器,主要用于完成各種算術(shù)運算和邏輯運算.ALU的算術(shù)運算部件包含加法器,減法器,乘法器,除法器,增量器(+1),減量器(1),BCD碼運算器等組件.ALU的主要工作是根據(jù)CPU指令要求執(zhí)行各種指定運算,如加法,減法,乘法,除法,比較,邏輯移位等操作.通用寄存器組是一組存取速度最快的存儲器,也不需要運行總線周期,有些指令還要求將操作數(shù)存放在專用的寄存器中.專用寄存器通常用于表示CPU所處于某種系統(tǒng)狀態(tài),ALU中有兩個重要的狀態(tài)寄存器:指令指針寄存器IP(即程序計數(shù)器PC)和標志寄存器FLAGS.三, 存儲器層次機構(gòu)(一) 存儲器的分類 參考提高存儲器帶寬縮短儲存周期增加存儲字長,使每個周期可讀/寫更多的二進制數(shù)增加存儲體內(nèi)存地址線n,數(shù)據(jù)線數(shù)k芯片的容量為2kk位20位的地址可以訪問1MB的存儲空間,32位的地址可以訪問4GB的內(nèi)存空間,64位可以訪問1800萬TB靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM之間的比較。如果結(jié)果為負,上商為0,再將除數(shù)加到余數(shù)中,.2加減交替法當(dāng)余數(shù)為正時,商上1,求下一位商的辦法,余數(shù)左移一位,再減去除數(shù)。對原碼表示的兩個操作數(shù)進行加減運算時,計算機的實際操作是加還是減,不僅取決指令中的操作碼,.例如,加法指令指示做(＋A)＋(－B)由于一操作數(shù)為負,實際操作是做減法(＋A)(+B),在減法指令中指示做(＋A)－(－B)實際操作做加法(＋A)＋(＋B),相應(yīng)地需要由復(fù)雜的硬件邏輯才能實現(xiàn),因此在計算機中很少被采用.3)補碼定點數(shù)的加/減運算。G(x)]+[R(x)+R(x)] =Q(x)存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算并將的中間結(jié)果暫存在運算器內(nèi)G(x)+R(x)]+R(x) =[Q(x) 2)原碼定點數(shù)的加/減運算。(3) Yn+1 ,Yn =1( Yn+1 Yn =01) ,部分積加[－X]補,右移1位 最后一步不移位.(2)兩位乘法1原碼兩位乘法,因此實際操作用Yi1,Yi,C三位來控制,運算規(guī)則如下Yi1 Yi C操作0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 +0, 右移2位 0→C +X, 右移2位 0→C +X, 右移2位 0→C +2X, 右移2位 0→C +2X, 右移2位 0→C X, 右移2位 1→C X, 右移2位 1→C +0, 右移2位 1→C 2補碼兩位乘法根據(jù)前述的布斯算法,將兩步合并成一步,即可推導(dǎo)出補碼兩位乘的公式.Yni1 Yni Yni+1[Pi+2]補 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 +0, 右移2位 +[X]補, 右移2位 +[X]補, 右移2位 +2[X]補, 右移2位 2[X]補, 右移2位 [X]補, 右移2位 [X]補, 右移2位 +0, 右移2位 求部分積的次數(shù)和右移操作的控制問題. 當(dāng)乘數(shù)由1位符號位和以n(奇數(shù))位數(shù)據(jù)位組成時,求部分積的次數(shù)為(1＋n)／2,而且最后一次的右移操作只右移一位. 若數(shù)值位本身為偶數(shù)n,可采用下述兩種方法之一:①可在乘數(shù)的最后一位補一個0,乘數(shù)的數(shù)據(jù)位就成為奇數(shù),而且其值不變,求部分積的次數(shù)為1+(n+l)/2,即n/2＋1,最后一次右移操作也只右移一位.②乘數(shù)增加一位符號位,使總位數(shù)仍為偶數(shù),此時求部分積的次數(shù)為n/2+1,而且最后一次不再執(zhí)行右移操作.(3)補碼除法筆算除法和機器除法的比較筆算除法機器除法商符單獨處理符號位異或形成心算上商余數(shù) 不動 低位補“0”減右移一位 的除數(shù)余數(shù) 左移一位 低位補“0”減 除數(shù)2 倍字長加法器1 倍字長加法器上商位置 不固定在寄存器 最末位上商1定點原碼一位除法1恢復(fù)余數(shù)法被除數(shù)(余數(shù))減去除數(shù),如果為0或者為正值時,上商為1,不恢復(fù)余數(shù)。2E127(4)16條零地址指令的操作碼由16位操作碼從1111111111110000～1111111111111111給出.指令字長取決于操作碼的長度、,通常盡可能的吧常用的指令(如數(shù)據(jù)傳輸指令、算邏運算指令等)設(shè)計成單字長或短字長格式的指令.操作數(shù)類型地址地址實際也可以看做是一種數(shù)據(jù),數(shù)字計算機中常見的數(shù)字有定點數(shù)、浮點數(shù)和十進制數(shù)字字符在應(yīng)用計算機時,文本或者字符串也是一種常見的數(shù)據(jù)類型邏輯數(shù)據(jù)計算機除了做算術(shù)運算外,有時還做邏輯運算,此時n個0和1的組合不是被看做算術(shù)數(shù)字而被看做邏輯數(shù)奔騰Pentium處理器的數(shù)據(jù)類型有邏輯數(shù)、有符號數(shù)(補碼)、無符號數(shù)、壓縮和未壓縮的BCD碼、地址指針、位串以及浮點數(shù)(符合IEEE754標準)等指令操作類型數(shù)據(jù)傳送包括寄存器與寄存器,寄存器與存儲單元,存儲單元與存儲單元之間的傳送這操作可實現(xiàn)算術(shù)運算(加,減,乘,除,增1,減1,取負即求補)邏輯運算(與,或,非,異或)移位可分為算術(shù)移位,邏輯移位和循環(huán)移位三種無條件轉(zhuǎn)移不受任何約束條件直接把程序轉(zhuǎn)移到下一條需執(zhí)行指令的地址條件轉(zhuǎn)移根據(jù)當(dāng)前指令的執(zhí)行結(jié)果決定是否需要轉(zhuǎn)移調(diào)用與返回l 子程序可在多處被調(diào)用l 子程序調(diào)用可出現(xiàn)在子程序中,即允許子程序嵌套l 每個CALL指令都對應(yīng)一條RETURN指令CPU必須記住返回地址,使子程序能準確返回,返回地址存放在以下3處l ,專用于存放返回地址l 子程序的入口地址內(nèi)l ,執(zhí)行RETURN指令后,便可自動從堆棧內(nèi)取出應(yīng)返回的地址陷阱(Trap)與陷阱指令其實是一種意外事故的中斷,一般不提供給用戶使用,作為隱指令,再出現(xiàn)故障時,由CPU自動產(chǎn)生并執(zhí)行對于I/O單獨編址的計算機而言,通常設(shè)有輸入輸出指令,他完成從外設(shè)中的寄存器讀入一個數(shù)據(jù)到CPU寄存器內(nèi),或?qū)?shù)據(jù)從CPU的寄存器輸出至某外設(shè)的寄存器中包括等待指令、停機指令、空操作指令、開中斷指令、關(guān)中斷指令、置條件碼指令等備注有些大型或巨型機還設(shè)有向量指令,可對整個向量或矩陣進行求和求積運算(二) 指令的尋址方式1. 有效地址的概念操作數(shù)的真實地址稱為有效地址,記做EA,它是尋址方式和形式地址共同來決定的.2. 數(shù)據(jù)尋址和指令尋址尋址方式是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條將要執(zhí)行的指令的地址,與硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān),尋址方式分為指令尋址和數(shù)據(jù)尋址兩大類指令尋址分為順序?qū)ぶ泛吞S尋址兩種.順序?qū)ぶ房梢酝ㄟ^程序計數(shù)器PC加1自動形成下一條指令的地址,跳躍尋址則通過轉(zhuǎn)移類指令實現(xiàn),是通過對PC的運算得到新的下一條指令的地址. 3. 常見尋址方式1)立即尋址所需的操作數(shù)由指令的地址碼部分直接給出,就稱為立即數(shù)(或直接數(shù)),操作碼和一個操作數(shù)同時被取出,不必再次訪問存儲器,不能修改,而一般情況下,指令所處理的數(shù)據(jù)都是在不斷變化的(如上條指令的執(zhí)行結(jié)果作為下條指令的操作數(shù)),.(圖中“”表示立即尋址的標記,A的位數(shù)限制了這類指令所能表述的立即數(shù)的范圍)2)直接尋址指令的地址碼部分給出操作數(shù)在存儲器中的地址.3)隱含尋址操作數(shù)的地址隱含在操作碼或者某個寄存器中.4)間接尋址 在尋址時,有時根據(jù)指令的地址碼所取出的內(nèi)容既不是操作數(shù),也不是下一條要執(zhí)行的指令,而是操作數(shù)的地址或指令的地址,這種方式稱為間接尋址或間址.5)寄存器尋址計算機的中央處理器一般設(shè)置有一定數(shù)量的通用寄存器,用以存放操作數(shù),而且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中,比存儲單元少很多,因此地址碼短,而且從寄存器中存取數(shù)據(jù)比從存儲器中存取快得多,所以這種方式可以縮短指令長度,節(jié)省存儲空間,提高指令的執(zhí)行速度,在計算機中得到廣泛應(yīng)用.6)寄存器間接尋址 EA = ( Ri ) 有效地址在寄存器中寄存器中給出的是操作數(shù)的地址,因此還需要訪問一次存儲器才能得到操作數(shù).7)基址尋址在計算機中設(shè)置一個專用的基址寄存器, 8)變址尋址指令地址碼部分給出的地址A和指定的變址寄存器X的內(nèi)容通過加法器相加,.9)相對尋址把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容(即當(dāng)前執(zhí)行指令的地址)與指令的地址碼部分給出的位移量(disp)之和作為操作數(shù)的地址或轉(zhuǎn)移地址,稱為相對尋址. 主要用于轉(zhuǎn)移指令,執(zhí)行本條指令后,將轉(zhuǎn)移到(PC)＋disp,(PC): 1〉轉(zhuǎn)移地址不是固定的,它隨著PC值的變化而變化,并且總是與PC相差一個固定值disp,因此無論程序裝人存儲器的任何地方,均能正確運行,對浮動程序很適用. 2〉位移量可正,可負,則這種方式的尋址范圍在 (PC)2n1 ～(PC)+2n11之間 計算機的程序和數(shù)據(jù)一般是分開存放的,不用相對尋址方式來確定操作數(shù)地址. 10)堆棧尋址在一般計算機中,堆棧主要用來暫存中斷和子程序調(diào)用時現(xiàn)場數(shù)據(jù)及返回地址,用于訪問堆棧的指令只有壓入(即進棧)和彈出(即退棧)兩種,它們實際上是一種特殊的數(shù)據(jù)傳送指令:壓入指令(PUSH)是把指定的操作數(shù)送入堆棧的棧頂。CPU 中有多個 通用 寄存器5)大部分指令在一個或小于一個機器周期完成。而在有指令預(yù)取功能的計算機中,一般還需要增加一個程序計數(shù)器用來存放下一條要取出的指令地址.有兩種途徑來形成指令地址,其一是順序執(zhí)行的情況,通過程序計數(shù)器加“1”形成下一條指令地址(如存儲器按字節(jié)編址,而指令長度為4個字節(jié),則加“4”).其二是遇到需要改變順序執(zhí)行程序的情況,一般由轉(zhuǎn)移類指令形成轉(zhuǎn)移地址送往程序計數(shù)器,作為下一條指令的地址.2)．指令寄存器(IR)用以存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令,以便在指令執(zhí)行過程中,控制完成一條指令的全部功能.3). 指令譯碼器或操作碼譯碼器對指令寄存器中的操作碼進行分析解釋,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號.在執(zhí)行指令過程中,需要形成有一定時序關(guān)系的操作控制信號序列,為此還需要下述組成部分.4)．脈沖源及啟停線路脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個機器的時鐘脈沖,是機器周期和工作脈沖的基準信號,在機器剛加電時,還應(yīng)產(chǎn)生一個總清信號(reset).啟停線路保證可靠地送出或封鎖時鐘脈沖,控制時序信號的發(fā)生或停止,從而啟動機器工作或使之停機.5)．時序控制信號形成部件當(dāng)機器啟動后,在CLK時鐘作用下,根據(jù)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的需要,產(chǎn)生相應(yīng)的時序控制信號,當(dāng)執(zhí)行加法指令時,若產(chǎn)生運算溢出的異常情況,一般不再執(zhí)行將結(jié)果送入目的寄存器(或存儲單元)的操作,而發(fā)出中斷請求信號,轉(zhuǎn)入中斷處理。ALU→AR(有效地址送地址寄存器).③取數(shù)周期到存儲器取數(shù). 控制器發(fā)出的控制信號:AR→AB,W/R=0,M/IO=1。將讀出的結(jié)果送IR PC+1=cy1 。cy2 。cy2+轉(zhuǎn)移指令OP218