《运算器和运算方法》课件

运算器和运算方法计算机科学的重要基础知识涉及计算机如何执行算术和逻辑运算运算器概述数据处理中心运算器是计算机的核心部件，负责执行各种算术运算和逻辑运算信息加工运算器对数据进行加工处理，完成算术、逻辑和位运算等操作硬件实现运算器由电子电路实现，包括加法器、减法器、乘法器、除法器等运算器的结构组成运算器是计算机的核心部件，负责执行算术运算和逻辑运算运算器通常由以下部分组成算术逻辑单元负责执行算术和逻辑运算

1.ALU:寄存器组存储运算过程中需要的中间结果和数据

2.:数据通路负责数据在运算器各部件之间的传输

3.:控制单元负责协调各部件的活动，控制运算过程

4.:运算器的工作过程数据输入运算器从内存或寄存器中获取操作数，并将其送入运算器的内部寄存器执行运算根据指令的操作码，运算器执行加、减、乘、除等算术运算，或进行逻辑运算结果输出运算结果被保存到指定的寄存器或内存地址，供后续指令使用状态指示运算器会记录运算过程中产生的状态信息，例如溢出标志、零标志等加法器的分类和结构串行加法器并行加法器串行加法器逐位进行加法运算，并行加法器同时对所有位进行加速度较慢，但结构简单，成本低法运算，速度快，但结构复杂，廉成本较高进位链加法器超前进位加法器进位链加法器是并行加法器的改超前进位加法器通过预先计算进进，利用进位链技术，提高了运位，避免进位延迟，进一步提高算速度运算速度加法的运算方法并行进位1所有位同时相加，最快的加法方法串行进位2从低位到高位依次相加，进位链逐级传递超前进位3预测进位，提高运算速度加法的运算方法是计算机中最基本的操作之一，有多种方法可以实现加法运算并行进位法是速度最快的，但成本较高串行进位法成本较低，但速度较慢超前进位法则是两者之间的折衷方案，兼顾速度和成本减法器的结构减法器是计算机运算器中重要的组成部分，用于执行减法运算减法器通常采用加法器实现，利用补码运算将减法转化为加法减法器通常包含一个加法器、一个符号位反转器和一个进位信号生成器减法的运算方法补码运算使用补码进行减法运算，将减数取反并加，得到补码，然后与被减数相加11减法器结构2减法器通常由加法器和取反器构成运算结果3最终的运算结果是减数和被减数的差值，并根据符号位判断结果的正负减法运算可以通过补码运算实现，将减数取反并加，得到补码，然后与被减数相加，即可得到两数之差1乘法器的结构硬件结构工作原理类型乘法器由乘数寄存器、被乘数寄存器、部乘法器通过移位和加法运算，将乘数和被乘法器可分为阵列乘法器和移位相加乘法分积寄存器、加法器和控制电路组成乘数相乘，得到乘积器，各有优缺点乘法的运算方法123移位相加法算法硬件乘法器Booth该方法将乘数的每一位与被乘数相乘，算法是改进的移位相加法，它现代计算机中通常采用专用硬件乘法器Booth并将结果左移相应位数后累加得到最终通过处理负数的符号位来减少乘法操作，通过高速电路实现快速乘法运算结果次数除法器的结构除法器是运算器中重要的组成部分，其主要功能是完成两个数的除法运算除法运算的实现过程较为复杂，一般采用重复减法的方式来完成，具体实现方法包括恢复余数法、不恢复余数法、加减交替法等除法器的结构主要包括除数寄存器、被除数寄存器、商寄存器、余数寄存器、控制逻辑电路在进行除法运算时，除数寄存器存放除数，被除数寄存器存放被除数，商寄存器存放运算结果商，余数寄存器存放运算结果余数，控制逻辑电路则控制整个除法运算的进行除法的运算方法恢复余数法恢复余数法通过反复减去除数，直到余数小于除数，最后得到商和余数不恢复余数法不恢复余数法避免了恢复余数步骤，简化了运算过程，但需要额外的判断和修正加减交替法加减交替法通过加减运算逐步逼近商，提高了运算效率乘除混合法乘除混合法利用乘法运算来加速除法运算，尤其适用于快速除法算法位移操作的原理逻辑左移算术左移逻辑右移算术右移逻辑左移将所有位向左移动，算术左移与逻辑左移类似，但逻辑右移将所有位向右移动，算术右移与逻辑右移类似，但最高位被丢弃，最低位补最高位保留原值最低位被丢弃，最高位补最高位保留原值00算术左移用于有符号数的乘法算术右移用于有符号数的除法逻辑左移相当于将数字乘以运算逻辑右移相当于将数字除以运算的幂次方的幂次方22逻辑运算的原理逻辑运算布尔表达式逻辑运算的应用逻辑运算通过一系列布尔运算符执行逻辑运算使用布尔表达式，这些表达逻辑运算在计算机科学中广泛用于条，例如与、或和非式由布尔变量和运算符组成，结果为件语句、循环和数据比较等领域“”“”“”真或假乘除混合运算乘法操作1执行乘法运算，将结果存入寄存器除法操作2执行除法运算，将结果存入寄存器结果存储3将结果存入目标寄存器乘除混合运算通常涉及先进行乘法操作，然后进行除法操作例如，计算可以先执行，然后执行结果处理器会根据指令序a*b/c a*b/c列执行相关操作浮点数运算表示形式1浮点数使用符号位、指数位和尾数位表示，其中指数位用于确定小数点的位置，尾数位用于表示数值的大小加减运算2对齐小数点，然后进行加减运算，并对结果进行规格化处理乘除运算3乘除运算涉及指数位的调整和尾数位的乘除运算，并需要进行舍入操作溢出与下溢的处理溢出下溢溢出是指运算结果超出机器所能表示的范下溢是指运算结果小于机器所能表示的最围，导致数据丢失例如，两个正数相加小数，导致数据丢失例如，两个负数相，结果可能超过最大正数，导致结果变为乘，结果可能小于最小负数，导致结果变负数溢出通常发生在加法运算中，尤其为正数下溢通常发生在乘法和除法运算是在有限精度的情况下中数据通路与控制单元数据通路是指数据在运算器中流动和操作的路径控制单元负责控制运算器的各个部件协调工作，完成各种指令的操作数据通路是运算器的硬件基础，而控制单元则是运算器的指挥中心二者相互配合，共同完成运算器的各种指令执行过程并行运算和流水线并行运算多个运算部件同时进行运算，提高运算速度流水线将指令执行过程分解为多个阶段，各阶段并行执行性能提升并行运算和流水线是提高计算机运算速度的关键技术运算器性能指标运算器的发展趋势更高集成度更快的运算速度随着工艺的进步，运算器集成度采用更先进的工艺和架构，运算越来越高，单芯片可容纳更多晶器的运算速度不断提高，提升性体管能更低的功耗更强的并行能力低功耗设计和优化技术，在保持采用多核处理器和并行计算技术性能的同时，降低功耗，延长使，提高运算器的并行处理能力，用时间更有效率地处理数据汇编语言程序设计汇编语言是低级编程语言，它允许程序员直接控制计算机的硬件与高级编程语言相比，汇编语言更接近机器语言，代码更加简洁高效指令集1计算机指令系统的集合汇编指令2用助记符表示的机器指令汇编程序3将汇编语言翻译成机器语言目标程序4可执行的机器语言程序汇编语言程序设计需要深入理解计算机硬件结构和指令系统程序员需要将抽象的算法转换成具体的指令序列，以便计算机能够理解并执行指令系统的分类指令集架构复杂指令集计算机精简指令集计算机混合指令集计算机指令集架构，确定了计算指令集计算机使用更复杂指令集计算机使用简单、混合指令集计算机结合了ISA CISCRISC CISC机指令集的格式、数据类型和和更强大的指令，可以完成更固定长度的指令，执行速度更和的优点，拥有更强大RISC寻址模式，是的核心复杂的操作，但指令长度不一快，但需要更多指令来完成复的功能和更高的执行效率CPU致，解码难度更大杂操作指令系统设计的要求完备性正交性

1.

2.12指令系统应包含各种必要的指指令系统应具有正交性，即指令，能够完成各种基本操作令之间相互独立，可以组合使用效率可扩展性

3.

4.34指令系统应设计得简洁高效，指令系统应具有可扩展性，能能够有效地利用计算机资源够适应未来发展的需要常见指令系统例举指令系统指令系统指令系统指令系统x86ARM MIPS RISC-V是公司开发的指是英国公司开发是是一个开源的指令x86Intel ARMARM MIPSMIPSRISC-V令系统，广泛应用于个人电脑的指令系统，广泛应用于移动公司开发的指系统，旨在提供一个开放、灵Technologies和服务器设备和嵌入式系统令系统，广泛应用于路由器、活、可扩展的指令集架构交换机等网络设备它拥有丰富的指令集，支持多指令系统以低功耗和高近年来，越来越受ARM RISC-V种寻址模式，能够满足不同的效著称，在移动设备领域占据指令系统以简洁高效著欢迎，成为下一代计算机系统MIPS编程需求主导地位称，常用于需要高性能的系统的重要选择控制单元的设计控制单元是计算机系统的核心，负责指挥和协调整个计算机系统的工作它是计算机系统的中枢神经系统，控制着数据流的走向、运算的操作以及指令的执行等控制单元的设计需要考虑指令系统的类型、指令的执行方式、以及系统的工作频率和性能等因素不同的指令系统和执行方式对控制单元的设计有不同的要求微操作与微程序控制微操作的概念微操作是计算机中最基本的动作，是执行一条指令所需的最小操作步骤CPU微程序控制的原理微程序控制使用专门的微程序存储器，存储执行指令的微操作序列，实现指令的执行CPU微程序控制的特点微程序控制可以实现灵活的指令系统设计，便于扩展和修改，但增加了控制器的复杂度微程序控制的优势微程序控制使计算机能够执行各种复杂的指令，提高了计算机的通用性和灵活性微程序控制单元的结构微程序控制单元主要由微程序存储器、微地址寄存器和微程序计数器组成微程序存储器存储着微程序，微地址寄存器存放着当前执行的微指令的地址，微程序计数器用来指向下一个要执行的微指令微程序控制单元通过读取微程序存储器中的微指令来控制计算机的执行过程，实现各种指令的执行微程序控制的特点灵活性和可修改性易于实现复杂控制方便测试和调试微程序控制指令存储在存储器中，易于修微程序控制可以方便地实现各种复杂的操微程序控制的指令可以独立调试，便于查改，便于实现新的功能，具有很大的灵活作，如分支、循环、中断等找和解决问题性微程序控制单元的设计确定微指令格式1微指令格式包括操作码、地址码、条件码等，根据指令系统和控制方式确定设计微程序存储器2微程序存储器用于存储微程序，其容量和组织方式影响控制单元的性能和成本实现微程序控制逻辑3根据微指令格式和微程序存储器设计控制逻辑，包括译码、地址生成、控制信号产生等总结与思考运算器运算方法运算器是计算机的核心部件之一，负责完成各不同的运算方法对应不同的硬件实现，影响着种算术和逻辑运算，是计算机处理数据的基础运算器性能和效率电路设计发展趋势运算器设计需要综合考虑电路的结构、速度、未来，运算器将朝着更高性能、更高效率、更功耗和成本等因素低功耗和更强的安全性方向发展。