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

計(jì)算機(jī)所采用的運(yùn)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(diǎn)的表示形式可分為定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器。定點(diǎn)運(yùn)算器只能做定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，特點(diǎn)是機(jī)器數(shù)所表示的范圍較小，但結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。浮點(diǎn)運(yùn)算器功能較強(qiáng)，既能對(duì)浮點(diǎn)數(shù)，又能對(duì)定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，其數(shù)的表示范圍很大，但結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。從進(jìn)位制方面分為二進(jìn)制運(yùn)算器和十進(jìn)制運(yùn)算器。一般計(jì)算機(jī)都采用二進(jìn)制運(yùn)算器，隨著計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于商業(yè)和數(shù)據(jù)處理，越來(lái)越多的機(jī)器都擴(kuò)充十進(jìn)制運(yùn)算的功能，使運(yùn)算器既能完成二進(jìn)制的運(yùn)算，也能完成十進(jìn)制運(yùn)算。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(lái)，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的運(yùn)算部件。

浮點(diǎn)運(yùn)算器

1、浮點(diǎn)運(yùn)算器的一般結(jié)構(gòu)浮點(diǎn)運(yùn)算可用兩個(gè)松散連接的定點(diǎn)運(yùn)算部件來(lái)實(shí)現(xiàn)：即階碼部件和尾數(shù)部件，浮點(diǎn)運(yùn)算器的一般結(jié)構(gòu)尾數(shù)部件實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)通用的定點(diǎn)運(yùn)算器，要求該運(yùn)算器能實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除四種基本算術(shù)運(yùn)算。其中三個(gè)單字長(zhǎng)寄存器用來(lái)存放操作數(shù)：AC為累加器，MQ為乘商寄存器，DR為數(shù)據(jù)寄存器。AC和MQ連起來(lái)還可組成左右移位的雙字長(zhǎng)寄存器AC-MQ。并行加法器用來(lái)完成數(shù)據(jù)的加工處理，其輸入來(lái)自AC和DR，而結(jié)果回送到AC。MQ寄存器在乘法時(shí)存放乘數(shù)，而除法時(shí)存放商數(shù)，所以稱為乘商寄存器。DR用來(lái)存放被乘數(shù)或除數(shù)，而結(jié)果(乘積或商與余數(shù))則存放在AC-MQ。在四則運(yùn)算中，使用這些寄存器的典型方法如下：運(yùn)算類別 寄存器關(guān)系加法AC+DR→AC減法AC-DR→AC乘法DR×MQ→AC-MQ除法AC÷DR→AC-MQ對(duì)階碼部件來(lái)說(shuō)，只要能進(jìn)行階碼相加、相減和比較操作即可。在圖2-21中，操作數(shù)的階碼部分放在寄存器E1和E2，它們與并行加法器相連以便計(jì)算。浮點(diǎn)加法和減法所需要的階碼比較是通過(guò)E1-E2來(lái)實(shí)現(xiàn)的，相減的結(jié)果放入計(jì)數(shù)器E中，然后按照E的符號(hào)為決定哪一個(gè)階碼較大。在尾數(shù)相加或相減之前，需要將一個(gè)尾數(shù)進(jìn)行移位，這是由計(jì)數(shù)器E來(lái)控制的，目的是使E的值按順序減到0。E每減一次1，相應(yīng)的尾數(shù)則向右移1位。一旦尾數(shù)高速完畢，它們就可按通常的定點(diǎn)方法進(jìn)行處理。運(yùn)算結(jié)果的階碼值仍放到計(jì)數(shù)器E中。

2、點(diǎn)協(xié)處理器，80x87是美國(guó)Intel公司為處理浮點(diǎn)數(shù)等數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算和多種函數(shù)計(jì)算而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的專用算術(shù)運(yùn)算處理器。由于它們的算術(shù)運(yùn)算是配合80x86CPU進(jìn)行的，所以又稱為協(xié)處理器。我們以80x87為例來(lái)討論浮點(diǎn)運(yùn)算器部件的組成。浮點(diǎn)協(xié)處理器的主要功能如下：

(1) 可與配套的CPU芯片異步并行工作。80x87相當(dāng)于386的一個(gè)I/O部件，本身有它自己的指令，但不能單獨(dú)使用，它只能作為386主CPU的協(xié)處理器才能運(yùn)算。因?yàn)檎嬲淖x寫主存的工作不是80x87完成，而是由386執(zhí)行的。如果386從主存讀取的指令是80x87浮點(diǎn)運(yùn)算指令，則它們以輸出方式把該指令送到80x87，80x87接收后進(jìn)行譯碼并執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算。在80x87進(jìn)行運(yùn)算期間，386可取下一條其他指令予以執(zhí)行，因而實(shí)現(xiàn)了并行工作。如果在80x87執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算指令過(guò)程中386又取來(lái)一條80x87指令，則80x87以給出“忙”的標(biāo)志信號(hào)加以拒絕，使386暫停向80x87發(fā)送命令。只有待80x87完成浮點(diǎn)運(yùn)算而取消“忙”的標(biāo)志信號(hào)以后，386才可以進(jìn)行一次發(fā)送操作。

(2) 高性能的80位字長(zhǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有8個(gè)80位字長(zhǎng)的以堆棧方式管理的寄存器組。80x87從存儲(chǔ)器取數(shù)和向存儲(chǔ)器寫數(shù)時(shí)，均用80位的臨時(shí)實(shí)數(shù)和其他6種數(shù)據(jù)類型執(zhí)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。全部數(shù)據(jù)在80x87中均以80位臨時(shí)實(shí)數(shù)的形式表示。因此80x87具有80位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并有八個(gè)80位字長(zhǎng)以 “先進(jìn)后出”方式管理的寄存器組，又稱寄存器堆棧。這些寄存器可以按堆棧方式工作，此時(shí)，棧頂被用作累加器;也可以按寄存器的編號(hào)直接訪問(wèn)任一個(gè)寄存器。(3) 浮點(diǎn)數(shù)的格式，完全符合IEEE制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 能處理包括二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)、二進(jìn)制整數(shù)和十進(jìn)制數(shù)串三大類共7種數(shù)據(jù)。此7種數(shù)據(jù)類型在寄存器中表示如下：短整數(shù)(32位整數(shù)) S 31位 (二進(jìn)制補(bǔ)碼) 長(zhǎng)整數(shù)(64位整數(shù)) S 63位 (二進(jìn)制補(bǔ)碼) 短實(shí)數(shù)(32位浮點(diǎn)數(shù)) S 指數(shù) 尾數(shù)(23位) 長(zhǎng)實(shí)數(shù)(64位浮點(diǎn)數(shù)) S 指數(shù) 尾數(shù)(52位) 臨時(shí)實(shí)數(shù)(80位浮點(diǎn)數(shù)) S 指數(shù) 尾數(shù)(64位) 十進(jìn)數(shù)串(十進(jìn)制18位) S -- d17d16　…　d1d0。此處S為一位符號(hào)位，0代表正，1代表負(fù)。三種浮點(diǎn)數(shù)階碼的基值均為2。階碼值用移碼表示，尾數(shù)用原碼表示。尾數(shù)有32位、64位、80位三種。不僅僅是一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器，還包括了執(zhí)行數(shù)據(jù)運(yùn)算所需要的全部控制線路，就運(yùn)算部分講，有處理浮點(diǎn)數(shù)指數(shù)部分的部件和處理尾數(shù)部分的部件，還有加速移位操作的移位器線路，它們通過(guò)指數(shù)總線和小數(shù)總線與八個(gè)80位字長(zhǎng)的寄存器堆棧相連接。

(5) 內(nèi)部的出錯(cuò)管理功能為了保證操作的正確執(zhí)行，80x87內(nèi)部還設(shè)置了三個(gè)各為16位字長(zhǎng)的寄存器，即特征寄存器、控制字寄存器和狀態(tài)寄存器。特征寄存器用每?jī)晌槐硎炯拇嫫鞫褩Ｖ忻總€(gè)寄存器的狀態(tài)，即特征值為00-11四種組合時(shí)表明相應(yīng)的寄存器有正確數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)為0、數(shù)據(jù)非法、無(wú)數(shù)據(jù)四種情況?？刂谱旨拇嫫饔糜诳刂?0x87的內(nèi)部操作。其中PC為精度控制位域(2位)：00為24位，01為備用，10為53位，11為64位。RC為舍入控制位域(2位)：00為就近舍入，01朝-方向舍入，10朝+方向舍入，11朝0舍入。IC為無(wú)窮大控制位：該位為0時(shí)+與-作同值處理，該位為1時(shí)+與-不作同值處理?？刂萍拇嫫鞯牡?位作異常中斷屏蔽位：IM為非法處理，DM為非法操作數(shù)，ZM為0作除數(shù)，OM為上溢，UM為下溢，PM為精度下降。狀態(tài)字寄存器用于表示80x87的結(jié)果處理情況，例如當(dāng)“忙”標(biāo)志為1時(shí)，表示正在執(zhí)行一條浮點(diǎn)運(yùn)算指令，為0則表示80x87空閑。狀態(tài)寄存器的低6位指出異常錯(cuò)誤的6種類型，與控制寄存器低6位相。當(dāng)?shù)目刂萍拇嫫魑粸?(未屏蔽)而狀態(tài)寄存器位為1時(shí)，因發(fā)生某種異常錯(cuò)誤而產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。

3.CPU內(nèi)的浮點(diǎn)運(yùn)算器，奔騰CPU將浮點(diǎn)運(yùn)算器包含在芯片內(nèi)。浮點(diǎn)運(yùn)算部件采用流水線設(shè)計(jì)。指令執(zhí)行過(guò)程分為8段流水線。前4段為指令預(yù)取(DF)、指令譯碼(D1)、地址生成(D2)、取操作數(shù)(EX)，在U，V流水線中完成;后4段為執(zhí)行1(X1)、執(zhí)行2(X2)、結(jié)果寫回寄存器堆(WF)、錯(cuò)誤報(bào)告(ER)，在浮點(diǎn)運(yùn)算器中完成。一般情況下，由V流水線完成一條浮點(diǎn)操作指令。浮點(diǎn)部件內(nèi)有浮點(diǎn)專用的加法器、乘法器和除法器，有8個(gè)80位寄存器組成的寄存器堆，內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線為80位寬。因此浮點(diǎn)部件可支持IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的單精度和雙精度格式的浮點(diǎn)數(shù)。另外還使用一種稱為臨時(shí)實(shí)數(shù)的80位浮點(diǎn)數(shù)。對(duì)于浮點(diǎn)的取數(shù)、加法、乘法等操作，采用了新的算法并用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其執(zhí)行速度是80486的10倍多。