导语：计算机运算器工作过程与信号控制 及芯片介绍

1．运算器与控制器之间的信息传递

控制器中的程序计数器（PC）需要通过ALU完成指令地址计算，它把自己的内容送到ALU的A输入端，图3.4中用pc-in表示，以实现PC+4和PC+immed-2的加法运算，常数4和immed-2是由ALU的B输入端提供。PC+4的计算要在读取指令阶段完成，并在这一阶段就把计算结果（图中用pc-out表示）写回PC。PC+immed-2的计算要在指令译码阶段完成，并将计算结果保存在ALU的结果寄存器C中，到下一步的执行阶段依据需要把这个结果（图中用reg-C表示）再写回PC。

2．运算器与存储器器之间的信息传递

写入寄存器堆的数据可以是ALU的运算结果，也可能是从内存中读出来的数据，这二者需要通过一个二选一电路送到寄存器堆的DI数据输入端。ALU的计算结果是在执行阶段通过A op B或A op immed-1运算得到的，并首先保存在C寄存器中，到下一步的数据写回阶段才写入寄存器堆。

为了实现内存的读出或写入操作，在执行阶段通过A+immed-1运算得到内存地址，并保存在C寄存器中，到下一步的内存读写阶段用C中的这个地址来选择内存中的一个存储单元。

对从内存读出数据的指令，完成读出数据到内存的数据缓存寄存器DR中。对写数据到内存的指令，把在译码步骤保存在B寄存器中的数据送到内存的数据线，完成内存的写入操作。

小结：运算器需要向内存提供地址信息和写入的数据信息，内存则将向运算器提供其读出的数据以便写入到寄存器堆中。

请注意，这个运算器部件中的寄存器堆和ALU将在不同的执行步骤中完成自己的操作功能，读寄存器堆在前（需要提供被读的两个寄存器的编号rs和rt），ALU计算在后（需要提供数据来源选择信号A_sel和B_sel，以及ALU的运算功能选择信号alu_func），再到下一步才会把保存在寄存器C中的计算结果写回寄存器堆（需要提供被写的寄存器编号rd，写寄存器堆的命令信号we）。三个寄存器A、B、C都要用到时钟信号Clock。

芯片介绍Am2901

Am2901的内部组成

Am2901芯片是一个4位的位片结构的运算器器件，其内部组成框图如图3.5所示。

图3.5 Am2901 芯片的内部组成框图

该芯片的第一个组成部分是一个4位的算术逻辑运算部件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，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。

该芯片的第二个组成部分是由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、B地址指定被读写的寄存器。两路读出数据分别用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。

该芯片的第三个组部成分是一个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。

该芯片的其余组成部分是5组多路数据选择器，每组都由4套电路组成，一套电路对应一个数据位，通过它们实现芯片内部的三个组成成分之间的连接，实现芯片内部与外部信息的输入输出操作，包括：经D输入接收外部送来的4位输入数据，经Y输出端输出4位数据到芯片外部。

请注意，在实现寄存器数据左、右移位操作时，会涉及到芯片内外部的数据交换，左移操作要求向运算器的最低位（图中用RAM0和Q0）送入移位输入数据，运算器的最高位（图中用RAM3和Q3）将向外部送出移位输出数据，右移操作要求向运算器的最高位送入移位输入数据，运算器的最低位将向外部送出移位输出数据。

(2) Am2901的控制与操作

控制信号包括:

① 选择ALU的八种运算（三种算术运算、五种逻辑运算）功能中的一种。这可通过提供三位功能选择码I5，I4，I3实现，其具体规定列在表3.1中。

② 选择送入ALU的两个操作数据R和S的组合关系（数据来源）。图3.5上已标明，R从D和A中选择，S从A、B和Q中选择，再考虑到它们还均可选值，则我们选取最有用的8种组合，即A、Q组合，A、B组合，O、Q组合，0、B组合，0、A组合，D、A组合，D、Q组合，D、O组合，并用I2，I1，I0三位操作数选择码控制二组多路选通门选取其一，具体规定如表3.2所示。

③ 选择运算结果或有关数据以什么方式送往何处的处理方案，这主要指通用寄存器组和Q寄存器执不执行接收操作或移位操作，以及向芯片的输出信息Y提供的是什么内容。这是通过I8，I7，I6三位结果选择码来控制三组相应的选择门实现的，其规定如表3.3所示。

表3.1 选择运算功能表　　　　　　　　　　　　　　3.2数据来源选择

　　　　　　表3.3 选择结果处理方案

（3）外部的数据及线路　　有一些数据是由在芯片之外的线路提供的，包括：　　①芯片经D端接收的外部数据　　 ②芯片最低位的进位输入信号Cn　　③关于左右移位操作过程中的RAM3、RAM0、Q3和Q0的输入数据　　④需要在芯片外设置接收与记忆4个标志位信息的电路

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