1、運算器是計算機的加工處理部件，最基本的結構必須有算術邏輯運算單元、數據寄存器、累加器、多路轉換器和數據總線等部件。前面我們曾介紹由一位全加器(FA)構成的行波進位加法器，它可以實現補碼數的加法運算和減法運算。但是這種加法/減法器存在兩個問題：一是由于串行進位，它的運算時間很長。假如加法器由n位全加器構成，每一位的進位延遲時間為20ns，那么最壞情況下，進位信號從最低位傳遞到最高位而最后輸出穩定，至少需要計算機組成原理n20ns，這在高速計算中顯然是不利的。二是就行波進位加法器本身來說，它只能完成加法和減法兩種操作而不能完成邏輯操作。為此，本節我們先介紹多功能算術/邏輯運算單元(ALU)，它不僅

2、具有多種算術運算和邏輯運算的功能，而且具有先行進位邏輯，從而能實現高速運算。（1）基本思想 一位全加器(FA)的邏輯表達式為 Fi=AiBiCi Ci+1=AiBi+BiCi+CiAi 計算機組成原理式中Fi是第i位的和數，Ai,Bi是第i位的被加數和加數，Ci是第i位的進位輸入，Ci+1為第i位的進位輸出。為了將全加器的功能進行擴展以完成多種算術/邏輯運算，我們先不將輸入Ai，Bi和下一位的進位數Ci直接進行全加，而是將Ai和Bi先組合成由控制參數S0,S1,S2,S3控制的組合函數Xi和Yi(如上圖所示)，然后再將Xi，Yi和下一位進位數通過全加器進行全加。這樣，不同的控制參數可以得到不同

3、的組合函數 ，因而能夠實現多種算術運算和邏輯運算。 計算機組成原理計算機組成原理 圖2.10ALU的邏輯結構原理框圖因此，一位算術/邏輯運算單元的邏輯表達式為 Fi=XiYiCn+1 Cn+i+1=XiYi+YiCn+i+Cn+iXI 上式中進位下標用n+i代替原來一位全加器中的i,i代表集成在一片電路上的ALU的二進制位數，對于4位一片的ALU，i=0,1,2,3。n代表若干片ALU組成更長字長的運算器時每片早路的進位輸入，例如當4片組成16位字長的運算器時，n=0，4，8，12。計算機組成原理2) 邏輯表達式 控制參數S0,S1,S2,S3分別控制輸 入Ai和Bi，產生Yi和Xi的函數。其

4、中Yi是受S0,S1控制的Ai和Bi的組合函數，而Xi是受S2,S3控制的Ai和Bi的組合函數，其函數關系如下表所示計算機組成原理S0 S1 Yi S2 S3 Xi 00011011AiAiBiAiBi0000110111AiBiAiBiAi根據上面所列的函數關系,即可列出Xi和Yi的邏輯表達式XiS2S3S2S3（AiBi）S2S3（AiBi）S2S3AiYiS0S1AiS0S1AiBiS0S1AiBi計算機組成原理進一步化簡并代入前面的求和與進位表達式，可得ALU的某一位邏輯表達式如下 FiYi Xi Cn+i Cni1YiXiCni計算機組成原理內部總線內部總線 由于計算機內部的主要工作

5、過程是信息傳送和加工的過程，因此在機器內部各部件之間的數據傳送非常頻繁。為了減少內的數據傳送線并便于控制，通常將一些寄存器之間數據傳送的通路加以歸并，組成總線結構，使不同來源的信息在此傳輸線上分時傳送。 根據總線所處的位置，總線分為內部總線和外部總線兩類： 內部總線是指CPU內各部件的連線。 外部總線是指系統總線，即CPU與存儲器、I/O系統之間的連線。 計算機組成原理按總線的邏輯結構來說，總線可分為單向傳送總線和雙向傳送總線。所謂單向總線，就是信息只能向一個方向傳送。所謂雙向總線，就是信息可以向 兩個方向傳送，既可以發送數據，也可以接收數據。 總線的邏輯電路往往是三態的，即輸出電平有三種狀態

6、：邏輯1邏輯0和浮空狀態。計算機組成原理計算機組成原理 由三態門組成的雙向數據總線(a)是帶有緩沖驅動器的4位雙向數據總線。其中所用的基本電路就是三態邏輯電路。當“發送”信號有效時,數據從左向右傳送。反之,當“接收”信號有效時,數據從右向左傳送。這種類型的緩沖器通常根據它們如何使用而叫作總線擴展器、總線驅動器、總線接收器等等。(b)所示的是帶有鎖存器的4位雙向數據總線。它主要由一個DE觸發器和一個三態緩沖器組成。DE觸發器是在一個普通D觸發器上另加一個E輸入端（允許端）而構成的。此處E輸入端用以控制D的輸入。若E0,即使D為“1”,也不能輸入。當接收數據時,E1三態門被禁止,因而數據總線上的數

7、據被接收到鎖存器。當發送數據時,E0,三態門被允許,因而鎖存器的數據發送至數據總線上。 計算機組成原理定點運算器的基本結構 運算器包括ALU陣列乘除器寄存器多路開關三態緩沖器數據總線等邏輯部件。運算器的設計,主要是圍繞ALU和寄存器同數據總線之間如何傳送操作數和運算結果進行的。在決定方案時,需要考慮數據傳送的方便性和操作速度,在微型機和單片機中還要考慮在硅片上制作總線的工藝。 計算機的運算器大體有如下三種結構形式計算機組成原理單總線結構的運算器如(a)所示。由于所有部件都接到同一總線上,所以數據可以在任何兩個寄存器之間,或者在任一個寄存器和ALU之間傳送。如果具有陣列乘法器或除法器,那么它們所

8、處的位置應與ALU相當。對這種結構的運算器來說,在同一時間內,只能有一個操作數放在單總線上。為了把兩個操作數輸入到ALU,需要分兩次來做,而且還需要A,B兩個緩沖寄存器。這種結構的主要缺點是操作速度較慢。雖然在這種結構中輸入數據和操作結果需要三次串行的選通操作,但它并不會對每種指令都增加很多執行時計算機組成原理間。只有在對全都是CPU寄存器中的兩個操作數進行操作時,單總線結構的運算器才會造成一定的時間損失。但是由于它只控制一條總線,故控制電路比較簡單。 計算機組成原理雙總線結構的運算器如(b)所示。在這種結構中,兩個操作數同時加到ALU進行運算,只需一次操作控制,而且馬上就可以得到運算結果。圖

9、中,兩條總線各自把其數據送至ALU的輸入端。特殊寄存器分為兩組,它們分別與一條總線交換數據。這樣,通用寄存器中的數就可進入到任一組特殊寄存器中去,從而使數據傳送更為靈活。ALU的輸出不能直接加到總線上去。這是因為,當形成操作結果的輸出時,兩條總線都被輸入數占據,因而必須在ALU輸出端設置緩沖寄存器。為此,操作的控制要分兩步完成: 計算機組成原理1.在ALU的兩個輸入端輸入操作數,形成結果并送入緩沖寄存器; 2.把結果送入目的寄存器。假如在總線1,2和ALU輸入端之間再各加一個輸入緩沖寄存器,并把兩個輸入數先放至這兩個緩沖寄存器,那么,ALU輸出端就可以直接把操作結果送至總線1或總線2上去。 計

10、算機組成原理三總線結構的運算器如演示(C)所示。在三總線結構中,ALU的兩個輸入端分別由兩條總線供給,而ALU的輸出則與第三條總線相連。這樣,算術邏輯操作就可以在一步的控制之內完成。由于ALU本身有時間延遲,所以打入輸出結果的選通脈沖必須考慮到包括這個延遲。另外,設置了一個總線旁路器。如果一個操作數不需要修改,而直接從總線2傳送到總線3,那么可以通過控制總線旁路器把數據傳出;如果一個操作數傳送時需要修改,那么就借助于ALU。很顯然,三總線結構的運算器的特點是操作時間快。計算機組成原理計算機組成原理運算器組成實例1、最簡單的運算器只有三個邏輯部件：算術邏輯運算單元、累加寄存器ac、數據緩沖寄存器DR。計算機組成原理2、早期的小型機的運算器計算機組成原理計算機組成原理計算機組成原理浮點運算器圖為8087系列浮點運算器，可進行三類七種數據運