通用寄存器ALU
寄存器的工作原理
寄存器的工作原理寄存器是计算机中一种重要的存储设备，用于暂时存储和传输数据。
它通常由一组存储单元组成，每一个存储单元能够存储一个固定大小的数据。
寄存器在计算机的各个部件之间起到了桥梁的作用，可以高效地传递数据。
寄存器的工作原理可以分为存储和传输两个阶段。
1. 存储阶段：在存储阶段，寄存器接收来自处理器或者其他部件的数据，并将其存储在自身的存储单元中。
每一个存储单元由若干个二进制位组成，可以存储不同长度的数据，如8位、16位、32位或者64位。
存储单元之间通过地址进行区分，每一个存储单元都有一个惟一的地址。
2. 传输阶段：在传输阶段，寄存器将存储的数据传递给其他部件，如算术逻辑单元(ALU)、控制单元或者主存储器。
传输可以是单向的，也可以是双向的。
在单向传输中，数据只能从寄存器传输到其他部件；在双向传输中，数据可以在寄存器和其他部件之间进行双向传输。
寄存器的传输可以通过多种方式实现，常见的有并行传输和串行传输。
1. 并行传输：并行传输是指将整个寄存器的数据同时传输给其他部件。
这种传输方式速度快，但需要更多的传输路线和硬件资源。
并行传输适合于数据量较大的情况，如图象处理和高性能计算。
2. 串行传输：串行传输是指将寄存器的数据逐位地传输给其他部件。
这种传输方式速度较慢，但可以节省传输路线和硬件资源。
串行传输适合于数据量较小的情况，如通信和控制系统。
寄存器还可以根据其功能进行分类，常见的寄存器包括通用寄存器、程序计数器、指令寄存器、状态寄存器等。
1. 通用寄存器：通用寄存器用于存储暂时数据，供处理器进行运算和操作。
它们可以存储不同类型的数据，如整数、浮点数、字符等。
通用寄存器的数量和大小根据计算机的体系结构和指令集架构而定。
2. 程序计数器：程序计数器用于存储下一条要执行的指令的地址。
它在程序执行过程中不断更新，指示处理器应该执行的下一条指令。
程序计数器在分支和跳转指令中起到了关键作用，确保程序按照预期的顺序执行。
什么是微处理器,由几部分组成
什么是微处理器,由几部分组成
微处理器是微型计算机的核心部分，又称为中央处理器(简称CPU)。
微处理器主要由控制器和运算器两部分组成（还有一些支撑电路），用以完成指令的解释与执行。
微处理器由算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）、累加器和通用寄存器组、程序计数器（也叫指令指标器）、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线组成。
其中运算器和控制器是其主要组成部分。
逻辑部件：
英文Logic components；运算逻辑部件。
可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。
寄存器部件：
寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。
通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。
控制部件：
英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。
微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。
中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。
简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。
ALU和运算器数据通路
ALU和运算器数据通路引言自从世界上第一台数字电子计算机ENIAC的研发成功，电子计算机的发展已经有了70多年的历史。
作为一种具有快速运算、逻辑判断、存储功能的电子设备，计算机已经广泛地运用于人们的生活中。
现代计算机主要都是采用“冯·诺依曼结构”进行设计，将计算机硬件系统分为输入设备、运算器、存储器、控制器、输出设备五大部件。
五大部件关系如图1所示。
其中，运算器是计算机硬件中的重要组成部分，实现计算机的算术运算、逻辑运算和移位操作功能。
ALU组成基本原理为了简化计算机的内部结构以及提高计算的方便性，在计算机的内部对于数字的处理基本都是使用二进制补码表示方式。
由于任何数学运算最终都可以转化为加法和移位两种最基本的运算，任何逻辑运算都可以用与、或、非实现，所以运算器的基本算术运算是整数加法运算，基本逻辑运算是与、或、非运算。
而运算器的核心是算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），可以实现算术运算功能和逻辑运算功能。
一位ALU的操作数是一位二进制数，根据计算机硬件自顶而下的设计思路，由于n位ALU是有多个一位ALU集成在一起的，设计ALU的本质就是在设计一位ALU单元并最终级联，所以对于ALU的讨论基于一位ALU。
在某些处理器中，ALU被分为两个部分：算术单元（AU）与逻辑单元（LU），如图2所示。
这样一个完整的ALU模块便被分为了若干个简单的小模块。
其中算术单元用于实现算术运算功能，具体是使用一个简单加法器以及与或门等相关辅助电路，实现多功能加减法电路，完成数据的加、减、传送、加1和减1。
逻辑单元（LU）用于实现逻辑运算功能，在不同ALU中逻辑运算功能不完全相同，但基本能实现与、或、非这三种基本逻辑运算并在此基础上进行添加更多的逻辑运算功能，并利用多路选择器MUX进行功能上的选择。
在ALU的顶层模块中需对所进行的是算术运算还是逻辑运算进行选择控制，所以使用二路选择器决定输出为算术运算的结果还是逻辑运算的结果。
运算器和控制器功能作用(修改版)
控 组合逻辑控制器（又称硬布线逻辑控制器） 制 器 微程序控制器
关系：运算器的操作和操作种类由控制器决定
微处理器 微处理器将运算器与控制器集成在一个芯片上，
通常称为中央处理单元（CPU—Central Processing Unit）。
• 控制器的功能和基本组成 • 控制器的功能
运算器的组成 以一个模型机的运算器为例，说明运算器的组成。 该运算器由如下几部分构成：
1．算术/逻辑运算单元ALU 由4片SN74181和SN74182构成。 SN74181是4位并行加法器，SN74182是并行进 位部件。 可构成16位的ALU。
2．锁存器 锁存器A、B用来暂存来自通用寄存器、存储
5．状态寄存器PSW
状态寄存器用来存放在运算过程中得到的状态 标志（如零标志、进位标志、符号标志等），以便 供程序判断使用。
总线
总线接收器 总线发送器 总线发送器
模
型
状态寄存器
机
运
移位器
算
器
组
ALU
成
框 图
锁存器A 锁存器B
源寄存器 暂存寄存器 通用寄存器
控制器 是整个计算机系统的指挥中心，协调并控制
Байду номын сангаас
CLK
时序控制信号 形成部件
… 指令译码器 ID
IR 操作码 地址码
指令
程序计数器 +1
指令 地址
运算器
操作数 DR 地址
数据寄存器 地址寄存器 AR
数据
数据总线DB
地址总线AB
控制总线CB
存储器
I/O口
计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理 的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运 算器中。运算器的功能与分类 运算器的基本功能是完成对各种数据的加工 处理，比较数值，变更符号，计算主存地址等。运算器中的寄存器用于临 时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。运算器中还要设置相应的部 件，用来记录一次运算结果的特征情况，如是否溢出，结果的符号位，结 果是否为零等。
二进制计算机采用的主要逻辑元件
主题：二进制计算机的主要逻辑元件一、概述二进制计算机是当今世界上最广泛使用的计算机系统。
它们采用二进制系统来表示和处理数据和指令。
在二进制计算机中，存在着一些主要的逻辑元件，它们在计算机的运行中起着至关重要的作用。
二、主要逻辑元件1. 逻辑门逻辑门是构成计算机的基本逻辑元件。
它们能够执行基本的逻辑运算，如与、或、非等。
常见的逻辑门有与门、或门、非门等。
在计算机中，逻辑门被组合成各种复杂的逻辑电路，用来实现各种功能。
2. 寄存器寄存器是一种用来存储数据的元件。
在计算机中，寄存器通常用来存储临时数据、位置区域或指令。
寄存器的大小通常是以位（bit）来表示的，如8位寄存器、16位寄存器等。
3. 存储器存储器是计算机中用来存储数据和指令的元件。
存储器分为内存和外存，内存通常指的是随机存取存储器（RAM），它用来存储正在运行的程序和数据；外存通常指的是磁盘或固态硬盘，它用来存储长期的数据和程序。
4. ALU（算术逻辑单元）ALU是计算机中用来执行算术和逻辑运算的部件。
它能够执行加、减、乘、除等算术运算，也能够执行与、或、非等逻辑运算。
5. 控制单元控制单元是计算机中用来控制指令执行顺序的部件。
它能够从存储器中取出指令，解码指令，并且控制各个部件的工作。
6. 时钟时钟是计算机中用来同步各个部件工作的部件。
它能够在一个固定的时间间隔内发出脉冲信号，使得各个部件按照统一的节拍工作。
7. 数据总线数据总线是计算机中用来传输数据的通道。
它能够同时传输多位数据，如8位、16位、32位等。
8. 位置区域总线位置区域总线是计算机中用来传输位置区域信息的通道。
它能够指示存储器中的特定位置。
9. 控制总线控制总线是计算机中用来传输控制信号的通道。
它能够传输各种控制信号，如读写信号、中断信号等。
三、总结二进制计算机中的主要逻辑元件包括逻辑门、寄存器、存储器、ALU、控制单元、时钟、数据总线、位置区域总线和控制总线。
它们共同构成了计算机的基本操作和功能。
寄存器的工作原理
寄存器的工作原理寄存器是计算机中一种重要的数据存储器件，用于暂时存储和处理数据。
它是由一组触发器构成的，每个触发器可以存储一个二进制位。
寄存器在计算机的运算和控制过程中发挥着重要的作用。
一、寄存器的分类寄存器可以根据其功能和用途进行分类。
常见的寄存器包括通用寄存器、专用寄存器和状态寄存器。
1. 通用寄存器：用于存储操作数和中间结果，供算术逻辑单元（ALU）进行运算。
通用寄存器的个数和位数根据计算机的设计而定，常见的有8位、16位、32位和64位寄存器。
2. 专用寄存器：用于特定的功能或任务，如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、地址寄存器（AR）等。
这些寄存器在计算机的控制过程中起到关键的作用。
3. 状态寄存器：用于存储特定的状态信息，如零标志位（ZF）、进位标志位（CF）等。
这些标志位用于判断运算结果的特性，以便进行后续的操作。
二、寄存器的工作原理寄存器的工作原理可以分为存储和读取两个过程。
1. 存储过程：a. 输入数据：当需要将数据存储到寄存器中时，首先将数据输入到寄存器的输入端。
b. 写入触发：通过控制信号，触发寄存器的写入操作，将输入的数据写入到触发器中。
c. 存储数据：写入触发后，数据被存储在寄存器中，并保持稳定，直到下一次写入操作。
2. 读取过程：a. 选择寄存器：根据需要读取的数据，选择相应的寄存器。
b. 读取触发：通过控制信号，触发寄存器的读取操作。
c. 输出数据：读取触发后，寄存器中的数据被输出到输出端，供其他部件使用。
三、寄存器的应用寄存器在计算机系统中有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 数据存储：寄存器用于存储数据，包括操作数、中间结果和地址等。
通过寄存器的高速读写能力，提高了计算机的数据处理效率。
2. 控制信号：寄存器中的状态信息被用于控制计算机的运行。
例如，程序计数器（PC）存储下一条指令的地址，指令寄存器（IR）存储当前执行的指令，通过这些寄存器的状态变化，控制计算机的指令执行流程。
通用寄存器组实验报告
通用寄存器组学号：201207030 姓名：叶利钦专业：计算121一、实验目的（1）了解通用寄存器组的用途及对CPU的重要性。
（2）掌握通用寄存器组的设计方法。
二、实验原理通用寄存器组是CPU的重要组成部分。
从存储器取来的数据要放在通用寄存器中；从外部设备取来的数据除DMA方式外，要放在通用寄存器中。
向存储器输出的数据也是从通用寄存器中取出；向外部设备输出的数据除DMA方式外也是从通用寄存器中取出来的。
由于从通用寄存器组中取数据比从存储器或者外部设备取数据快得多，因此参加算术运算和逻辑运算的数据一般是从通用寄存器组中取出，它向算术逻辑单元ALU提供了进行算术运算和逻辑运算所需要的两个操作数，同时又是运算结果的暂存地。
通用寄存器组内寄存器的数目与CPU性能有关，CPU性能预告，通用寄存器组内的寄存器数目越多。
由于算术逻辑运算需要两个操作数，因此通用寄存器组有两个读端口，负责提供进行算术逻辑单元需要的源操作数和目的操作数。
通用寄存器组有1个写端口，负责将运算结果保存到指定的寄存器内。
根据通用寄存器组的功能要求，一个只有4个16位寄存器的通用寄存器组的框图如下图所示。
在上图所示的电路中，当reset为低电平时，将4个16位寄存器R0~R3复位为0。
当寄存器的write和sel为高电平时，在时钟信号clk的上升沿将D端的输入D[15..0]写入寄存器，然后送到寄存器的输出Q[15..0]。
4个寄存器的允许写信号write和外部产生的目的寄存器写信号DRWr直接相连。
每个寄存器还有另一个选择信号sel，它决定哪一个寄存器进行写操作。
4个寄存器的选择信号分别和2-4译码器产生的sel00、sel01、sel10和sel11相连。
只有当1个寄存器被选中时，才允许对该寄存器进行写操作。
2-4译码器的输入sel[1..0]接DR[1..0]，2-4译码器对2位的输入信号sel[1..0]进行2-4译码，产生4个输出sel00、sel01、sel10和sel11，分别送往4个寄存器R0、R1、R2、R3的选择端4选1多路选择器1从4个寄存器R0、R1、R2、R3的输出Q[15..0]选择1路送到DR_data[1..0]，给算术逻辑单元提供目的操作数；选择信号sel[1..0]接DR[1..0]。
运算器
运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或，以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行 二值代码的16种逻辑操作。
运算器是计算机中处理数据的功能部件。对数据处理主要包括数据的算术运算和逻辑数据的逻辑操作。因此, 实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能。
基本理论
数据 操作
运算方法 结构
运算器运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代 微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作 为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位， 则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位 （通常为6或8位），一个完整的数据分成若干段进行计算，称 为串/并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍 字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。
Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用 计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。
在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要的进步，美国人Herman Hollerith（18601929），根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域建立公司。
实现运算器的操作，特别是四则运算，必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能，也关系到运算 器的结构和成本。另外，在进行数值计算时，结果的有效数位可能较长，必须截取一定的有效数位，由此而产生 最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。在选择计算机的数的表示方式时，应当 全面考虑以下几个因素：要表示的数的类型（小数、整数、实数和复数）：决定表示方式，可能遇到的数值范围： 确定存储、处理能力。数值精确度：处理能力相关；数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低。
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S2
S1
S0
0
1
0
0
按下单拍按钮，使R0+R1的值输入到总线ALU中，再通过调节X2X1X0XP
RWRDI/SBOP/SA
000
按下单拍按钮，使R0+R1的数进入R0，R2+R3也是如此。
接下来是数据左移，保持初始数据不变，数据移动方向为R1-DBUS-A-ALU-R1，经过三次循环，最后一次写出数值，例如R1=44H=100100，左移一次为00100010，为22H,再左移一次为00010001=11H,第三次为88H.同理66H左移三次为cc。
2、
五、实验结果和分析
通过实验熟悉了通用寄存器的数据通路，了解了寄存器的构成和运用，同时对八位运算器也有了一些了解，理论思维和动手能力需要进一步加强。
成绩评定
根据实验情况和实验报告质量作出写实性评价
2、评分
优秀 良好 中等 差
综合评分
折合成等级
15
年
4
月
3
日
指导教师签名
时间
K23-k0置”1”,灭M23-M0控位显示灯。然后按下表要求“搭接“部件。
连线
信号孔
接入孔
1
DRCK
CLOCK
2
X2
K1
3
X1
K2
4
X0
K3
5
XP
K4
6
M
K5
7
S2
K6
8
S1
K7
9
S0
K8
10
AWR/AEN
K9
11
BWR/WEN
K10
12
DI/SB
K11
13
OP/SA
K12
14
RWR
K13
15
SI
K14
在导线连接好之后，置数据开关为33H,
置控制开关：数据33H输出到数据总线
X2
X1
X0
XP
1
0
0
0
置控制开关：设置目的地址，选择寄存器R0，
RWR
DI/SB
OP/SA
0
0
0
然后按单拍按钮产生的脉冲把数据总线上的数据33H输入到寄存器R0，改变目的地址，将数据44H,55H,66H,分别写入R1，R2，R3.
二、实验仪器
1、Dais-CMX计算机组成原理与体系结构实验箱或DJ-CPTH超强型计算机组成原理与系统结构试验箱，导线若干
2、
三、实验原理
实验中所用到的通用寄存器数据通路如下图所示。由四位8位字长的74ls574组成R1R0(CX).R3R2(DX)通用寄存器组。
四、实验内容与步骤
1、实验连线操作
数学计算机科学学院实验报告
专业名称：
物联网工程
实 验 室：
学苑南楼1幢305室
实验课程：
计算机组成原理实验
实验名称：
通用寄存器读写实验
姓 名：
杨梦溪
学 号：
130706043
姓 名：
蔡鹏程
学 号：
130706002
实验日期：
4.3
一、实验目的
1.熟悉通用寄存器的数据通路
2、了解通用寄存器的构成与运用
然后置数据开关77H，置控制信号
X2X1X0XP
1000
使数据开关输出到数据总线，总线数据自动显示为77H，置控制信号
AWR/AEN
BWR/WEN
0
1
然后按单拍按钮产生的脉冲把数据总线上的数据77H输入到寄存器A。数据88H写入寄存器B/W:操作方法同上。
然后置数据开关为3344，调整高八位还是低八位的X2X1X0XP的值，通过两次单拍按钮分别送入A,B寄存器中，此间A,B寄存器开关不全为零，然后调节