运算方法和运算器 _ 运算器和流水线

基本算数逻辑部件

半加器

半加器是指对两个输入数据位相加，输出一个结果位和进位，没有进位输入的加法器。
通过 异或门和与门 可以很清楚的设计出半加器，逻辑图如下：
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一位全加器

实际应用中，不可能只进行一位的加法，而半加器没有考虑上位对本位的影响，因此必须改进半加器，从而使多位运算成为可能。

全加器 与半加器相比，全加器 考虑 上一位对本位的进位，从而可以把多个一位全加器级联后做成多位全加器.

分析：
输入有：𝐴𝑖，𝐵𝑖，𝐶𝑖−1（前一位进位）；需要求：𝑆𝑖（当前位结果），𝐶𝑖（当前位进位），

𝐵𝑖：很简单，输入中有奇数个1时为1，用异或即可。
𝐶𝑖：有两种思路：思路1. 判断输入中至少2个1；
一般更常用思路2：对两个进位源分别判断，然后进行或运算。

  • G产生进位(来自本级𝐴𝑖和𝐵𝑖)
  • P传递进位(来自前一级𝐶𝑖−1 与本级某个数)

用公式表示就是：

  • \(S_i = A_i ⊕ B_i ⊕ C_{i-1}\)
  • \(C_i = A_i•B_i+(A_i ⊕ B_i)•C_{i-1}=G_i + P_i•C_{i-1}\)

一位全加器逻辑设计图如下:
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封装后展示如下：image

行波进位 并行加法器

行波进位的并行加法器：把n个全加器串接起来，就可进行两个n位数的相加。
行波进位:每一级进位直接依赖于前一级的进位，即进位信号是逐级形成的。

将一位全加器串联进行多位运算显然是可行的，设计图如下：
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缺点：

  • 不能并行，速度慢。
    低位产生完进位，下一波才能运算进位，数位越多，运算时间越长。

  • 只能做加法运算，不能做逻辑运算。

n位行波进位加法器的延迟时间？
\(n*2T+9T=（2n+9）T\)

并行进位 并行加法器

行波进位速度慢的原因是需要等待上级进位；通过对进位公式的刨析，可以发现各级进位同时发生，公式推到如下：
已知：𝐶𝑖 = 𝐺𝑖 + 𝑃𝑖 𝐶𝑖−1；𝐺𝑖= 𝐴𝑖𝐵𝑖；𝑃𝑖= 𝐴𝑖⊕𝐵𝑖
\(C_1=G_1+P_1C_0\)
\(C_2=G_2+P_2C_1 =G_2+P_2G_1+P_2P_1C_0\)
\(C_3=G_3+P_3C_2 =G_3+P_3G_2+P_3P_2G_1+P_3P_2P_1C_0\)

所有进位的产生只与进位产生函数G和进位传递函数P，以及最低位进位输入有关。这种产生进位的方法称为并行进位，也叫先行进位。

由此就可设计出 并行进位加法器。
并行进位的并行加法器：各级进位信号同时形成。（又称为先行进位、同时进位）
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并行进位速度快的原因简述：
并行加法器的最长运算时间主要由进位信号的传递时间决定的。提高并行加法器速度的关键是尽量加快进位产生和传递的速度，并行进位加快了进位产生。

缺点：

  • 只能做加法运算，不能做逻辑运算。

算术逻辑单元ALU

设计到并行进位 并行加法器，运算器距离ALU还差 逻辑运算 功能没有实现。

算术逻辑单元 (Arithmetic logic unit)是能实现多组 算术运算和逻辑运算 的组合逻辑电路。

为了实现多种算术逻辑运算，可将Ai和Bi输入一个函数发生器得到输出Xi和Yi，作为一位全加器的输入。

一位ALU逻辑图
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将Ai和Bi先组合成由控制参数S0，S1，S2，S3控制的组合函数Xi和Yi，然后再将Xi和Yi和下一位进位数通过全加器进行全加。

不同的控制参数可得到不同的组合函数，因而能够实现多种算数运算和逻辑运算。

XiYi 与控制参数和输入量的关系构造如下真值表
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Yi是受S0、S1控制的Ai和Bi的组合函数，
Xi是受S2、S3控制的Ai和Bi的组合函数。

根据如上关系得到的Xi和Yi的逻辑表达式如下所示。
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进一步化简得到下式

\(X_i= \overline{S_3 A_i B_i +S_2 A_i \overline{B_i}}\)
\(Y_i= \overline{A_i +S_0 B_i +S_1 \overline{B_i}}\)

例如：
\(S_3S_2S_0S_1＝0000\)
代入：
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串行进位 4位进位ALU

串行进位和全加器设计方案类似：直接串联即可
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先行（并行）进位发生器CLA

也和并行进位全加器设计方案类似：需要增加线路。

增加P和G的目的在于实现多片（组）ALU之间的先行进位（先行进位即高位进位和低位进位同时产生的进位），需要配合电路，称为先行进位发生器（CLA，carry look ahead ）
4位ALU器件的商业标号为： 74181

通过M控制
M=1时，进位门被封锁，做逻辑运算
M=0时，对进位信号没有影响，做算术运算
A=B端可以判断两个数是否相等。

正逻辑操作数表示的74181ALU逻辑电路图
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A/B为两个输入的操作数据；S0-S3四个选择控制端，F为输出的结果；
M为控制端：包括各种算术元算（M=0）和逻辑运算等；
Cn为低位向它的进位，Cn+4为它向高位的进位；
G为进位产生函数；P为进位传递函数。
A=B为指示A与B相等的输出信号。

设计16位ALU

由于制作工艺的限制，单片ALU的位数不可能太多。当需要组成更多位数的ALU时，可以使用多片ALU组合。

常见的组合方式有两种：

（1）片内先行进位，片间串行进位

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16位ALU分为4组，每组包含4位全加器，组内采用并行进位方式，组间采用串行进位。
由于组内采用并行进位，故每一组内的进位是同时产生的；但组间进位与低位传来的进位有关，而每一组的低位进位不能同时产生，因此所有进位不会同时产生。

（2）片内先行进位，片间先行进位.

需要一个配合电路，称之为先行进位发生器（CLA 74182 ）。
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74181ALU设置了P和G两个本组先行进位输出端。
如果将四片74181的P，G输出端送入到74182先行进位部件（CLA），又可实现第二级的先行进位，即组与组之间的先行进位。

设计16位先行进位ALU：需要1个74L182,4个4位ALU74L181
每片74181作为1个4位的小组，组内采用并行进位。
74181输出的G、P作为74182的输入，实现四个小组之间的先行进位。

题目

1、提高加法器运算速度的关键是 降低进位信号的传播时间。

先行进位的含义是：低有效位的进位信号可以直接向最高位传递。

2、74181是采用 先行进位方式 的4位并行算术逻辑器，

74182是实现组间并行进位的进位逻辑。若某计算机系统

字长为64位，每4位组成一个小组，每4个小组组成一个大组，为实现小组内并行、大组内并行进位方式，共需要16片74181和4片74182。

3、74181设置了 进位发生输出G 和 进位传送输出P 两个本组先行进位输出端 。如果将此两输出端送往74182CLA部件，又可实现 组与组 之间的先行进位

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内部总线

内部总线:
指CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。运算器的设计主要是围绕着ALU和寄存器同数据总线之间如何传输操作数和运算结果而进行的，因此内部总线也称为ALU总线。
分类
所处位置

  • 内部总线（CPU内各部件的连线）
  • 外部总线（系统总线，即CPU与存储器，I/O之间的连线）

逻辑结构

  • 单向传送总线：信息只能向一个方向传送。
  • 双向传送总线：信息可以向两个方向传送。

图： 由三态门组成的双向数据总线
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当发送端为高电平时，从左向右传送数据。
当接收端为高电平时，从右向左传送数据。

定点运算器的基本结构

运算器包括ALU、阵列乘除器、寄存器、多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。

计算机的运算器大体有如下三种结构形式：

  1. 单总线结构的运算器（所有部件都接到同一总线）
  2. 双总线结构的运算器
  3. 三总线结构的运算器

单总线结构的运算器（所有部件都接到同一总线）
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同一时间内，只有一个操作数放在单总线上。为了把两个操作数输入到ALU，需要分两次来做。
再需要第三个动作，才能把结果送到目的寄存器。
缺点：操作速度慢
优点：控制电路简单

双总线结构的运算器
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两个操作数同时加到ALU进行运算，只需要一次操作控制，下一步就能把运算结果送入目的寄存器。

因此需要两步就可以完成运算。

注意：
当形成操作结果输出时，两条总线都被输入线占据，因此必须在ALU输出端设置缓冲寄存器。

三总线结构的运算器
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在三总线结构中，ALU的两个输入端分别由两条总线供给，而ALU的输出则与第三条总线相连。

这样算数逻辑操作就可以在一步的控制之内完成。
优点： 操作时间快

注意：
一个数据不需要修改，而直接从总线2到总线3，那么可通过总线旁路器把数据传出。

浮点运算器

浮点运算步骤如下
先表示为浮点数补码形式（阶码、尾数）
① 0操作数的检查
②比较阶码大小并完成对阶（小阶向大阶对齐。阶小的尾数向右移位，每右移一位，阶码加1 ）
③尾数进行加运算（减法转为补码加）
[ｘ＋ｙ]补＝[ｘ]补＋[ｙ]补
[ｘ-ｙ]补＝[ｘ]补＋[-ｙ]补

④结果规格化
⑤舍入处理

浮点运算流水线

提高并行性的两个渠道：

  • 空间并行性：多个独立的操作部件,并且使这些部件并行工作

  • 时间并行性：改善操作流程
    如流水线技术

流水技术原理？
实现：

  1. 把一个任务分解为几个有联系的子任务。
  2. 每个子任务由一个专门的功能部件实现

注意：

  • 在流水线中的每个功能部件之后都要有一个缓冲寄存器，或称为锁存器

  • 流水线中各段的时间应该尽量相等，否则将会引起“堵塞”和“断流”的现象

  • 流水线需要有装入时间和排空时间，只有当流水线完全充满时，才能充分发挥效率。

设过程段 \(S_i\)所需的时间为\(τ_i\),缓冲寄存器的延时为\(τ_t\)
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线性流水线的时钟周期定义为
\(τ＝max\{τ_i\}＋τ_t＝τ_m＋τ_t\)
流水线处理的频率为 \(f＝\frac{1}{τ}\)。

也就是说：
时钟周期应以最长的执行时间为准,否则用时长的流水段的功能将不能正确完成。

考研真题：某计算机的指令流水线由四个功能段组成，指令流经各功能段的时间（忽略各功能段之间的缓存时间）分别是90ns、80ns、70ns和60ns，则该计算机的流水线时钟周期至少是
（ A ）
A. 90ns B. 80ns C. 70ns D. 60ns

各段时间均相等的流水线

各段时间均相等的流水线时空图
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具有k 级过程段的流水线处理 n 个任务需要的时钟周期数为
\(T_k＝k＋(n－1)\)

装入时间是指第一个任务进入流水线到输出流水线的时间。

流水线各段时间相等（都是△t）（忽略缓冲时间）

1、具有k 级过程段的流水线处理 n 个任务需要的时钟周期数为
\(T_k＝k＋(n－1)\)

2、非流水线的硬件来处理这n个任务，时间上只能串行进行，则所需时钟周期数为
\(T_L=n*k\)

3、k级线性流水线的加速比（完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比）：

Ck ＝ 　n·kΔt
　 {k＋(n－1) } Δt

＝ 　n·k　

k＋(n－1)

注意：
如果不忽略缓冲时间，流水线各环节需要增加缓冲时间

二、流水线的各段时间不完全相等时（忽略缓冲时间）

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顺序执行n个任务所需要的时间：

\[\sum_{i=1}^{k} \Delta t_{i}+(n-1) \max \left(\Delta t_{1}, \Delta t_{2}, \cdots, \Delta t_{k}\right) \]

装入时间是指第一个任务进入流水线到输出流水线的时间。

注意：
如果不忽略缓冲时间，流水线各环节需要增加缓冲时间

题目：
例题：若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分，且三部分的时间分别为\(t_{取值}=2ns，t_{分析}=2ns\)，t-{执行}=1ns，则100条指令全部执行完毕需（ 203 ）ns。
解：一条k段流水线完成n个连续任务所需要的时间为
\(\sum_{i=1}^{k} \Delta t_{i}+(n-1) \max \left(\Delta t_{1}, \Delta t_{2}, \cdots, \Delta t_{k}\right)\)
带入公式得：（2+2+1）+ (100-1) × 2 = 5 + 198 = 203ns

流水线的各段时间不完全相等时（忽略缓冲）
一条k段流水线完成n个连续任务
所需要的时间为
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顺序执行n个任务所需要的时间：

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流水线的实际加速比为
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posted @ 2022-09-22 10:51  kingwzun  阅读(869)  评论(0)  编辑  收藏  举报