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什么是運算器

時間：2022-10-02 19:10:05 寫作指導(dǎo)

什么是運算器

　　運算器：arithmetic unit，計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算操作的部件。下面是小編分享的相關(guān)內(nèi)容，歡迎閱讀，僅供參考。

　　運算器的基本操作包括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作，亦稱算術(shù)邏輯部件(ALU)。計算機運行時，運算器的操作和操作種類由控制器決定。運算器處理的數(shù)據(jù)來自存儲器;處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)通常送回存儲器，或暫時寄存在運算器中。

　　運算器的功能與分類

　　運算器的基本功能是完成對各種數(shù)據(jù)的加工處理，例如算術(shù)四則運算，與、或、求反等邏輯運算，算術(shù)和邏輯移位操作，比較數(shù)值，變更符號，計算主存地址等。運算器中的寄存器用于臨時保存參加運算的數(shù)據(jù)和運算的中間結(jié)果等。運算器中還要設(shè)置相應(yīng)的.部件，用來記錄一次運算結(jié)果的特征情況，如是否溢出，結(jié)果的符號位，結(jié)果是否為零等。

　　計算機所采用的運算器類型很多，從不同的角度分析，就有不同的分類方法。從小數(shù)點的表示形式可分為定點運算器和浮點運算器。定點運算器只能做定點數(shù)運算，特點是機器數(shù)所表示的范圍較小，但結(jié)構(gòu)較簡單。浮點運算器功能較強，既能對浮點數(shù)，又能對定點數(shù)進行運算，其數(shù)的表示范圍很大，但結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。從進位制方面分為二進制運算器和十進制運算器。一般計算機都采用二進制運算器，隨著計算機廣泛應(yīng)用于商業(yè)和數(shù)據(jù)處理，越來越多的機器都擴充十進制運算的功能，使運算器既能完成二進制的運算，也能完成十進制運算。

　　運算器的組成

　　計算機中運算器需要具有完成多種運算操作的功能，因而必須將各種算法綜合起來，設(shè)計一個完整的運算部件。運算器的組成決定于整機的設(shè)計思想和設(shè)計要求，采用不同的運算方法將導(dǎo)致不同的運算器組成。但由于運算器的基本功能是一樣的，其算法也大致相同，因而不同機器的運算器是大同小異的。運算器主要由算術(shù)邏輯部件、通用寄存器組和狀態(tài)寄存器組成。

　　1)算術(shù)邏輯部件ALU。ALU 主要完成對二進制信息的定點算術(shù)運算、邏輯運算和各種移位操作。算術(shù)運算主要包括定點加、減、乘和除運算。邏輯運算主要有邏輯與、邏輯或、邏輯異或和邏輯非操作。移位操作主要完成邏輯左移和右移、算術(shù)左移和右移及其他一些移位操作。某些機器中，ALU 還要完成數(shù)值比較、變更數(shù)值符號、計算操作數(shù)在存儲器中的地址等�？梢�，ALU 是一種功能較強的組合邏輯電路，有時被稱為多功能發(fā)生器，它是運算器組成中的核心部件。ALU 能處理的數(shù)據(jù)位數(shù)(即字長)與機器有關(guān)。如 Z80 單板機中，ALU 是 8 位;IBM PC/XT 和 AT 機中，ALU 為 16 位;386 和 486 微機中，ALU 是 32 位。ALU 有兩個數(shù)據(jù)輸入端和一個數(shù)據(jù)輸出端，輸入輸出的數(shù)據(jù)寬度(即位數(shù))與 ALU 處理的數(shù)據(jù)寬度相同。

　　2)通用寄存器組近期設(shè)計的機器的.運算器都有一組通用寄存器。它主要用來保存參加運算的操作數(shù)和運算的結(jié)果。早期的機器只設(shè)計一個寄存器，用來存放操作數(shù)、操作結(jié)果和執(zhí)行移位操作，由于可用于存放重復(fù)累加的數(shù)據(jù)，所以常稱為累加器。通用寄存器均可以作為累加器使用。通用寄存器的數(shù)據(jù)存取速度是非常快的，目前一般是十幾個毫微秒(ns)。如果 ALU 的兩個操作數(shù)都來自寄存器，則可以極大地提高運算速度。

　　運算器的組成和設(shè)計

　　通用寄存器同時可以兼作專用寄存器，包括用于計算操作數(shù)的地址(用來提供操作數(shù)的形式地址，據(jù)此形成有效地址再去訪問主存單元)。例如，可作為變址寄存器、程序計數(shù)器(PC)、堆棧指示器(SP)等。必須注意的是，不同的機器對這組寄存器使用的情況和設(shè)置的個數(shù)是不相同的。

　　3)狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器用來記錄算術(shù)、邏輯運算或測試操作的結(jié)果狀態(tài)。程序設(shè)計中，這些狀態(tài)通常用作條件轉(zhuǎn)移指令的判斷條件，所以又稱為條件碼寄存器。一般均設(shè)置如下幾種狀態(tài)位：

　　(1)零標(biāo)志位(Z)：當(dāng)運算結(jié)果為 0 時，Z 位置“1”;非 0 時，置“0”;(2)負(fù)標(biāo)志位(N)：當(dāng)運算結(jié)果為負(fù)時，N 位置“1”;為正時，置“0”;(3)溢出標(biāo)志位(V)：當(dāng)運算結(jié)果發(fā)生溢出時，V 位置“1”;無溢出時，置“0”;(4)進位或借位標(biāo)志(C)：在做加法時，如果運算結(jié)果最高有效位(對于有符號數(shù)來說，即符號位;對無符號數(shù)來說，即數(shù)值最高位)向前產(chǎn)生進位時，C 位置“1”;無進位時，置“0”。在做減法時，如果不夠減，最高有效位向前有借位(這時向前無進位產(chǎn)生)時，C 位置“1”;無借位(即有進位產(chǎn)生)時，C 位置“0”。

　　除上述狀態(tài)外，狀態(tài)寄存器還常設(shè)有保存有關(guān)中斷和機器工作狀態(tài)(用戶態(tài)或核心態(tài))等信息的一些標(biāo)志位(應(yīng)當(dāng)說明，不同的機器規(guī)定的內(nèi)容和標(biāo)志符號不完全相同)，以便及時反映機器運行程序的工作狀態(tài)，所以有的機器稱它為“程序狀態(tài)字”或“處理機狀態(tài)字”(Processor Status Word，PSW )。

　　1)機器字長

　　機器字長是指參與運算的數(shù)據(jù)的.基本位數(shù)。它決定了寄存器、運算器和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，因而直接影響到硬件的價格。字長標(biāo)志著計算精度。為協(xié)調(diào)精度與造價，并滿足多方面的要求，許多計算機允許變字長計算，例如半字長、全字長和雙倍字長等。由于數(shù)和指令代碼都放在主存中，因而字長與指令碼長度往往有一個對應(yīng)關(guān)系，字長也就影響到指令系統(tǒng)功能的強弱。計算機字長從 4 位、8 位、16 位、32 位到 64 位不等。機器字長可包含一個或多個字節(jié)。用于科學(xué)計算的機器，為了確保精度，需要較長的字長;用于數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制的機器，字長為 16 位或 32 位就能滿足要求。

　　2)運算速度

　　它是計算機的主要指標(biāo)之一。計算機執(zhí)行不同的運算和操作所需的時間可能不同，因而對運算速度存在不同的計算方法。一般常用平均速度，即在單位時間內(nèi)平均能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示，如某計算機運算速度為 100 萬次 /秒，就是指該機在一秒鐘內(nèi)能平均執(zhí)行 100萬條指令(即 1MIPS)。有時也采用加權(quán)平均法(即根據(jù)每種指令的執(zhí)行時間以及該指令占全部操作的百分比進行計算)求得的等效速度表示。

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