计算机组成原理 与 汇编语言第三章 CPU原理

巢

湖

电

视

大

学

吴毅俊

计 算 机 组 成 原 理 与 汇 编 语 言

第 三 章 CPU原理

掌握：CPU基本组成模型(寄存 器组成、数据通路结构),同 步控制方式与常见时序信号， 微命令(脉冲、电位),熟练 掌握指令流程(能拟出给定指 令的流程);

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理解：进位链，ALU组成，补码加减， 移位，浮点加减，无符号数一位 乘、除，组合逻辑控制器(产生 微命令方法、优缺点),微程序 控制器(基本思想、优缺点);

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了解： 十进制运算，浮点乘、 除法，微指令格式、编码方法、 顺序控制方法。

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§3-1 运算器运算器 包含： ALU、用于运算的寄 存器； 控制器 包含：微操作信号发生器、时 序系统、用于运控制 的寄存器。

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系

统

总

线

寄存器 运算器 (ALU)控制器 CPU

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CPU的功能

数据加工(运算器)对数据进行算术和逻辑运算处理；

指令控制(控制器)指令的执行次序，严格按顺序；

操作控制(控制器)由指令产生操作控制信号/微命令；

时间控制(控制器)对各种操作实施时间上的控制/时序；

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算术逻辑运算部件ALU

ALU的主要作用完成二进制代码的定 点算术运算和逻辑运算。ALU 的核心 是加法器。 加法器 全加器+1

Ai

Bi

Ci

∑i,

C

i

可以用两个半加器构成的全加器; + + ∑I=

Ai Bi +Ci Ci+1= AiBi+(Ai B i) C i

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并行加法器的进位 并行加法器：N位同时进行，由进位链

实现进位信号Ci的传递。 设：A=An-1An-2…Ai..A1A0 B=Bn-1Bn-2…Bi..B1B0 则：Ci+1= AiBi+(Ai + B i) C i 令： Gi= AiBi P i= A i + B i 于是： Ci+1= Gi+ Pi Ci

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串行进位：使用进位线将n个全 加器串接起来，进位延迟时间较 长。节省器件，成本低。

Ci+1

Ci Ci-1

Ai+1 Bi+1 Ai

Bi

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并行进位：各级进位信号同时形成， 增加硬件逻辑线路，有效地减少进位 延迟时间。(同时进位) (见P61

图3-3)以4位加法为例

C1=G0+P0C0 C2=G1+P1C1 = G1 +P1G0 +P1P0C0 C3=G2+P2C2 =。。。。。 C4=G3+P3C3 =。。。。。 通过上式可以发现Ci可同时形成。

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对于长字长的加法器通常采用分组

进位结构：组内并行、组间串行进位链 组内并行、

组间并行进位链

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ALU 举例

SN74181介绍 (见P62

图3-4)内部结构； 功能：4位ALU 完成16种算术逻辑运算；

4片SN74181和1片SN74182组成一个16 位的组间并行进位ALU。 (见P63 图3-6 )

计 3-2 算 机 定点加减运算 组 成 原码加减 由操作码、操作数的符号决定最终的操 原 作，结果的符号判断复杂； 理 与 繁琐，硬件复杂； 汇 编 语 言

§

运算方法

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补码加减 [X

+ Y]补= [X]补+[Y]补 [X - Y]补= [X]补+[-Y]补 补码表示，符号参加运算，结果为补码 表示； 例[X]补= 00110110 [Y]补= 11001101 [X + Y]补 [X - Y]补 00110110 00110110 + 11001101 + 00110011 100000011 01101001

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溢出的判断 运算结果为正，且大于所能表达的最大

正数，称为正溢出； 运算结果为负，且小于所能表达的最小 负数，称为负溢出； 溢出判断方法： P66

单符号位判断 最高有效位的进位判断 变形补码(双符号位) 00为正，11为负(运算时扩充) 结果01正溢出，10负溢出(判断)