【Computer Organization笔记05】运算器基本功能，定点运算器，Am2901的组成与功能，VHDL硬件描述语言

本次笔记内容：
P9 计算机组成原理（09）
P10 计算机组成原理（10）

本节课对应幻灯片：组成原理15 AM2901，第1页起。

文章目录

P4 CPU示例
P5 运算器的基本功能
执行一次运算的时序关系
P13 两种运算器
P17 定点运算器功能与组成
ALU的线路实现方案
P6-10 具体如何设计1位ALU电路
P11 设计实现16位ALU
Am2901
- Am2901 的内部组成
- 哪8种运算功能？算逻运算部件ALU
- 寄存器组
- Q寄存器
- 总线把上述三个核心部分连接
- 运算器组成部分顺口溜
- 运算器的时钟信号CP
- Am2901的控制信号汇总表
- Am2901的操作使用
VHDL 硬件描述语言
小结

前面把运算器的功能讲过了，接下来讲如何应用这些功能？

我们讲以一个具体的运算器芯片为例 AM2901 。

首先是复习前面讲过的内容，并且介绍一点概述知识，包括：

硬件系统的功能部件（五大部件）
CPU示例

P4 CPU示例

上述一个CPU中：

CPU由运算器（核心是寄存器和ALU）和控制器组成；
运算器的数据通路包括图中下部；
上面的一部分，从PC开始，属于控制器。
数据通路包括：指令从哪来（有可能来自于存储器，存放在内存当中）；指令存储器要有一个寄存器（这个指令在哪）；PC就是存储指令的地址的东西；
控制器得到指令，根据操作码，得出“完成什么指令”，然后控制数据通路中剩下的部分完成工作；
所以最重要的是操作码与源操作数。把这些东西给操作部件，结果有可能送回寄存器组，也可能送到数据通路中。

P5 运算器的基本功能

运算器是计算机系统中执行数据运算、处理的功能部件，类似于一个工厂中的生产加工车间, 由ALU和寄存器组等组成。

类似工厂流水线，寄存器相当于小仓库、小车间。

完成算术、逻辑运算，产生运算结果：ALU执行+、—、× 、÷、∧、∨、¬
并给出运算结果的状态信息：C,Z,V,S
暂存运算所用操作数：寄存器组、立即数、数据总线
暂存运算的中间结果：寄存器组、Q寄存器、移位线路
输出运算结果：寄存器组、数据总线

运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由其内部的一个被称之为算术与逻辑运算部件(英文缩写为ALU)承担，它在给出运算结果的同时, 还给出结果的某些特征，如溢出否，有无进位，结果是否为零、为负等，这些结果特征信息通常被保存在几个特定的触发器中。要保证 ALU 正常运行，必须向它指明应该执行的某种运算功能。
运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一组寄存器承担。因为这些寄存器可以被汇编程序员直接访问与使用, 故通称通用寄存器，以区别于那些计算机内部设置的、不能为汇编程序员访问的专用寄存器。为了向 ALU提供正确的数据来源，必须指明使用通用寄存器组中的哪1个或2个寄存器。
为了用硬件线路完成乘除指令运算, 运算器内一般还有一个能自行左右移位的专用寄存器,通称乘商寄存器。由于该寄存器属于内部专用，汇编程序员不能访问，许多计算机组成原理教材和技术资料中不大提及此线路。

执行一次运算的时序关系

组合逻辑和时序逻辑区别：

输出是否与当前输入关联（时序逻辑有时钟）。

要考虑时间：
控制器的延迟要考虑；
控制信号会送给寄存器组，寄存器内容送出时间（延迟）需要考虑；
ALU运算时间；
运算结果送出需要时间。

因此，如何设定一个周期？如何设置主频？是值得我们思考的地方。

P13 两种运算器

运算器通常包括定点运算器和浮点运算器两种类型：

定点运算器：完成对整数类型数据的算术运算、逻辑类型数据的逻辑运算
浮点运算器：完成对浮点类型数据的算术运算

P17 定点运算器功能与组成

今天主要介绍定点运算器。

通过几组多路选择器电路实现相互连接，以便数据传送：

完成算术与逻辑运算功能：算术逻辑单元（ALU）
暂存参加运算的数据和中间结果：通用寄存器组
乘除法运算的硬件线路支持乘商寄存器（Q寄存器）

作为处理机内部数据通路（Data Path）的一部分。

ALU的线路实现方案

由上节课内容为基础，可设计出上述 ALU 的线路。

P6-10 具体如何设计1位ALU电路

是对上节课的一个复习，具体见 P6-11。

P11 设计实现16位ALU

单纯的连接可能会造成性能的损失（上节课所说），可以使用上节课所说的“超前进位”来提升。

Am2901

尽管现在已经比较少见，但是AM2901是一个很成功、很广泛的商用计算器。

这节课介绍一下这款经典的芯片。

Am2901 的内部组成

哪8种运算功能？算逻运算部件ALU

一种加法，两种减法，五种逻辑运算。

实现的功能很少，剩下的运算组合都交给软件了。

“该芯片的第一个组成成分是一个4位的算逻运算部件ALU，它的输出为F，两路输入分别用R和S标记，还有送入ALU最低位的进位信号Cn。它能实现R+S、S-R、R-S三种算术运算功能，和R∨S、R∧S、R∧S、R ∨S、R ∨S五种逻辑运算功能。在给出运算结果的同时，还送出向高位的进位输出信号Cn+4，溢出标志信号OVR，最高位的状态信号F3(可能用作符号位)，以及运算结果为零的标志信号F=0000。”

寄存器组

“该芯片的第二个组成成分是由16个4位的通用寄存器组成的寄存器组。它是一个用双端口(A口和B口)控制读出，单端口(B口)控制写入的部件。为了对其进行读写，需通过A地址（寄存器编号）、B地址（寄存器编号）指定被读写的寄存器。两路读出数据分辨用A口、B口标记，经锁存器线路可以送到ALU的R、S输入端的多路选择器，A口读出数据还可以用作该芯片的可选输出数据之一。寄存器组的写入数据由一组多路选择器给出，并由B地址选择写入的寄存器。 ”

为什么没有控制信号控制何时读写？

因为在一个周期里面，何时读，何时写都是固定的。

Q寄存器

“该芯片的第三个组成成分是一个4位的Q寄存器，主要用于实现硬件的乘法、除法指令，能对本身的内容完成左、右移位功能，能接收ALU的输出，输出送到ALU的S输入端。 ”

总线把上述三个核心部分连接

如上，有3位数据控制码。

其总的结构如下。两个三选一完成两个寄存器的控制。

如下，一个二选一完成输出输出数据的控制。

运算器组成部分顺口溜

可以看出，三种功能都是通过三位控制码完成的，共9位控制码。

运算器的时钟信号CP

其始终与周期设计如上。各个固定任务始终遵循固定的周期与顺序。

Am2901的控制信号汇总表

对于设计人员，这个表会在实践中烂熟于心。

Am2901的操作使用

比如第一行：

可能对应汇编语言 ADD R0 R1 ；
其完成加法功能，根据控制信号汇总表，I5 I4 I3应该选择000；
数据来源于 A 和 B，根据控制信号汇总表，I2 I1 I0应该选择001；
如何知道 R1 和 R0 是 A 和 B 的？因为计算结果要写回到 R0 ，因此B口只能是R0，是0000，A口是对应R1 0001；
F要送回到 B 口去，不做移位，因此输出无所谓，根据控制信号汇总表，I8 I7 I6选择010和011都可以。

把这18位交给Am2901，其就会得到一个完整的任务描述，完成任务。

VHDL 硬件描述语言

VHDL具有强大的语言结构
系统硬件描述能力强、设计效率高
具有较高的抽象描述能力
可读性强，易于修改和发现错误公
移植性好

用VHDL设计Am2901：

逻辑设计：功能分析
设计描述：自顶向下设计方法，划分模块（ALU、Register Files(读/写)、A和B锁存器）
模拟仿真
硬件调试

首先实体设计如下。

结构体定义如下。

通用寄存器模块（A锁存器、B锁存器）如下。

另外一个模块，ALU如下。

多路选通如下（只是举例，没有写完）。

小结

老的视频课程与2019的ppt有一点对不上，新的ppt没有讲VHDL。我截下的这些幻灯片比较有几年意义。

ppt中的这些内容，视频中没有涉及到（ppt的第35页起）：

运算器最低位进位输入信号 Cin 的形成
运算器4位标志位信号的接收与记忆线路
移位时最高、最低位的移位输入信号设计