计算机结构与逻辑设计(9ALU).ppt

计算机结构与逻辑设计是计算机科学中的基础领域，它涉及到如何构建和设计计算机的内部组件，尤其是涉及算术逻辑运算电路的构建。本章主要讲解了如何利用数字电路来设计计算机的算术逻辑运算部分，包括加法、移位、比较等基本运算。 我们来看加法电路。在计算机中，基本的算术运算电路通常由半加器和全加器构成。半加器可以计算两个一位二进制数的和，但不考虑进位；而全加器则同时考虑本位和进位，可以处理一位二进制数以及上位的进位。多个全加器串联起来，就可以构成多位全加器，用于进行多位二进制数的加法运算。然而，这种简单的级联方式会导致进位信号逐级传递，速度较慢。 为了解决这个问题，引入了超前进位的概念。超前进位通过增加门电路数量，提前计算出多位的进位，从而提高了运算速度。尽管这会增加硬件的复杂性，但可以显著提升计算效率。 移位运算在计算机中也十分常见。对于定点数，左移相当于乘以2，右移相当于除以2；而对于浮点数，需要分别处理阶码和尾数。移位运算可以通过集成芯片实现，也可以使用移位存储法来完成。 比较电路是判断两个数值大小的关键部件。单bit比较相对简单，但多个bit的比较就需要更复杂的电路设计，通常通过级联多个比较单元来实现。这些比较电路可以检测A是否大于B，小于B或等于B。 ALU（算术逻辑单元）是计算机中执行算术和逻辑运算的核心部件。它不仅包含了加、减、乘、除等算术运算，还支持位与、位或、位非等逻辑操作。ALU的构造通常包括操作数寄存器和累加器。例如，加法运算中，数据首先被加载到累加器，然后与另一个操作数相加，最后将结果存储回存储器。减法运算则在加法器基础上增加了求补电路。乘法运算有连加法和移位相加法两种实现方式，各有优缺点。 乘法ALU设计时需要考虑符号运算、补码运算的去符号处理，以及全加器可能出现的溢出问题。对于逻辑运算，中规模的ALU模块可以根据需要组合不同的功能，完成与、或、非、同或、异或等操作。 在BCD（二进制编码的十进制）编码中，加法运算需要特别处理，因为结果可能需要加上0110来保持十进制的正确性。多位BCD算法则涉及行波进位模式，以及10的补码运算和查表法来实现乘法。 计算机结构与逻辑设计是理解计算机内部运作的基础，从简单的算术逻辑电路到复杂的ALU设计，每一个环节都对计算机的性能和效率有着深远的影响。通过深入学习这部分知识，我们可以更好地设计和优化计算机系统。