運(yùn)算器,運(yùn)算器的作用和原理是什么?

運(yùn)算器的組成
計(jì)算機(jī)中運(yùn)算器需要具有完成多種運(yùn)算操作的功能，因而必須將各種算法綜合起來，設(shè)計(jì)一個完整的運(yùn)算部件。運(yùn)算器的組成決定于整機(jī)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)要求，采用不同的運(yùn)算方法將導(dǎo)致不同的運(yùn)算器組成。但由于運(yùn)算器的基本功能是一樣的，其算法也大致相同，因而不同機(jī)器的運(yùn)算器是大同小異的。運(yùn)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(jìn)制信息的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和各種移位操作。算術(shù)運(yùn)算主要包括定點(diǎn)加、減、乘和除運(yùn)算。邏輯運(yùn)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(jī)器中，ALU 還要完成數(shù)值比較、變更數(shù)值符號、計(jì)算操作數(shù)在存儲器中的地址等?？梢姡珹LU 是一種功能較強(qiáng)的組合邏輯電路，有時被稱為多功能發(fā)生器，它是運(yùn)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(jī)器有關(guān)。如 Z80 單板機(jī)中，ALU 是 8 位；IBM PC/XT 和 AT 機(jī)中，ALU 為 16 位；386 和 486 微機(jī)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(jì)的機(jī)器的運(yùn)算器都有一組通用寄存器。它主要用來保存參加運(yùn)算的操作數(shù)和運(yùn)算的結(jié)果。早期的機(jī)器只設(shè)計(jì)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(yùn)算速度。

運(yùn)算器的組成和設(shè)計(jì)

通用寄存器同時可以兼作專用寄存器，包括用于計(jì)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(jì)數(shù)器（PC）、堆棧指示器（SP）等。必須注意的是，不同的機(jī)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(yùn)算或測試操作的結(jié)果狀態(tài)。程序設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)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(yùn)算結(jié)果發(fā)生溢出時，V 位置“1”；無溢出時，置“0”；（4）進(jìn)位或借位標(biāo)志（C）：在做加法時，如果運(yùn)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(jìn)位時，C 位置“1”；無進(jìn)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(jìn)位產(chǎn)生）時，C 位置“1”；無借位（即有進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)器運(yùn)行程序的工作狀態(tài)，所以有的機(jī)器稱它為“程序狀態(tài)字”或“處理機(jī)狀態(tài)字”（Processor Status Word，PSW ）。

與運(yùn)算器有關(guān)的計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)
1）機(jī)器字長

機(jī)器字長是指參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)的基本位數(shù)。它決定了寄存器、運(yùn)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(jì)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(jì)算機(jī)允許變字長計(jì)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(qiáng)弱。計(jì)算機(jī)字長從 4 位、8 位、16 位、32 位到 64 位不等。機(jī)器字長可包含一個或多個字節(jié)。用于科學(xué)計(jì)算的機(jī)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(jī)器，字長為 16 位或 32 位就能滿足要求。

2）運(yùn)算速度