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1 计算机结构与逻辑设计 第 4 章 算术逻辑运算电路 2 基本算术运算电路 ? 本章开始，主要利用数字电路，设计计算机 的组成结构和部分。 ? 基本算术运算电路包括： 加法、移位、比较 ? 概念：半加器、全加器（加法的例子） 3 1 位全加器 A i =1 & S C C O B i i i S i C i A i B i 1 位半加器 1 位全加器 全加器 P Q CI S i CO 本 位 加 数 低位向本位的进位 本位和 本位向高位的进位 4 多位全加器 ? 构成 ：把 n 位全加器串联起来，低位全加器的进位 输出连接到相邻的高位全加器的进位输入。 全加器 全加器 全加器 全加器 C -1 C 3 A 0 A 3 A 2 A 1 B 0 B 1 B 3 B 2 S 0 S 1 S 2 S 3 0 特点：进位信号是由低位向高 位逐级传递的，速度不高。 5 超前进位原理 ? 目的：提高运算速度，维持 2 位运算的速度。 ? 原理：见书上图 4.5 ? 特点：采用门电路的数量增加换取速度的提高。 6 移位算法 ? 定点数：左移 x2 右移 /2 ? 浮点数：区分阶码和尾数。 ? 实现的方法： ? 集成芯片 ? 移位存储法 7 比较电路 ? 实现 A>B ， A<B ， A=B 的电路 ? 单 bit 的比较。 ? 多个 bit 的比较。 8 多 bit 的比较电路 9 多 bit 电路的级联 10 ALU 的组织 ? ALU 概念：算术逻辑单元。 ? 包括算术和逻辑在内的单元， 包括加、减、乘、除， bit 与、或、非等操作。 ? 加法运算 11 加法运算的 ALU 结构 ? 操作数寄存器，累加器 概念。 ? 操作过程： ? 一些问题讨论 : (1) 溢出问题， (2) 浮点数加法对齐。 累加器Ａ 全加器 ADD 寄存器Ｂ 1. 取操作数 ( 被加数 M) 存入累加器 A 来自存储器 到存储器 2. 取另一操作数 ( 被加数 N) 与 M 相加， 并存入累加器 A 3. 将和数存入存储器 12 减法运算 ALU 结构 ? 在加法器的基础上添加求补环节实现减法 累加器Ａ 全加器ＡＤＤ 寄存器Ｂ 来自存储器 到存储器 求补电路 13 乘法运算 ALU 结构 ? 1. 连加法实现乘法运算 累加器Ａ 全加器ＡＤＤ 寄存器 Y 来自存储器 到存储器 递减计数器 C 来自存储器 优点：简单，易实现 缺点：累加器位数较大 14 乘法运算 ALU 结构 (2) ? 2. 移位相加法实现乘法器 ? (1) 部分积左移 ? (2) 部分积之和右移 ? 3. 复杂度和全加器容量 (n 还是 2n) 之均衡 15 乘法 ALU 应注意的问题 ? 其他考虑 ? 1. 符号运算 ? 2. 补码运算的去符号处理 ? 3. 全加器溢出问题 ? 乘法器 ? 乘法表 16 逻辑运算和中规模 ALU ? 1. 按照位运算的逻辑运算： ? 与、或、非、同或、异或。 ? 2. 中规模集成 ALU 模块 ? 根据功能选择完成不同的加、减、乘等运算功能