三、运算器

1.定点加减法运算

①运算原理

  • 运算公式

    • 补码加法：$ [x]_b+[y]_b=[x+y]_b\quad(mod\enspace M) $
    • 补码减法：$ [x-y]_b=[x]_b+[-y]_b=[x]_b-[y]_b\quad(mod\enspace M) $
    • 对于定点小数，$ M=2 $；
    • 对于定点整数，$ M=2^{n+1} $，其中$ n $为不包含符号位的位数。

  • 运算规则

    • 操作数采用补码表示，符号位参加运算；
    • 运算结果为补码，符号位的进位位（模）直接丢弃。

  • 溢出判断

    • 单符号判断法：利用操作数和运算结果的符号位进行判断

      • 设$ X_f $，$ Y_f $为运算操作数的符号位，$ S_f $为运算结果的符号位，$ V $为溢出标志位，当$ V=1 $时表示发生溢出

      • 加法溢出规则：“正正得负，负负得正”

        $ V=X_fY_f\overline{S_f}+\overline{X_f}\enspace \overline{Y_f}S_f $

      • 减法溢出规则：“正负得负，负正得正”

        $ V=X_f\overline{Y_f}\enspace \overline{S_f}+\overline{X_f}Y_fS_f $

    • 进位位判断法：符号位进位和最高数据位进位进行异或操作

      • 设运算时最高有效数据位产生的进位信号为$ C_d $，符号位产生的进位信号为$ C_f $，溢出检测逻辑表达式为$ V=C_f\oplus C_d $
      • 对于加减法均适用

    • 双符号判断法

      • 根据变形补码中双符号位的定义，可以得到，当符号位为$ 01 $或$ 10 $时发生溢出；
      • 溢出检测逻辑表达式公式为$ V=S_{f_1}\oplus S_{f_2} $
      • 将双符号运算结果的两个符号位进行异或操作
②一位全加器$ FA $（$ Full\enspace Adder $，一个带进位的一位加法器）

  • 计算原理

    • $ S_i=X_i\oplus Y_i\oplus C_i $；
    • $ C_{i+1}=X_iY_i+(X_i+Y_i)C_i\quad \Delta2T $；
    • $ C_{i+1}=X_iY_i+(X_i\oplus Y_i)C_i\quad \Delta5T $

  • 逻辑实现

③多位串行加法器（$ Ripple\enspace Carry\enspace Adder $，行波进位加法器）

  • 对$ n $位串行进位加法器进行简单的改造即可得到$ n $位的加法电路；

  • 无符号溢出为$ C_n $，有符号溢出为$ overflow=C_n\oplus C_{n-1} $；

  • 计算原理

    • $ C_n\quad \Delta(2n+3)T $
    • $ S_{n-1}\quad \Delta(2n+4)T $
    • $ overflow\quad \Delta(2n+6)T $

  • 逻辑实现

  • 当采用多位串行加法器进行减法运算时，需要将减数的补码送入加法器。

④可控加减法电路（$ Controlled\enspace Adder/Subtractor $）

  • 在$ n $位串行加法器的基础上引入$ sub $信号；

  • $ sub $信号为$ 1 $时表示进行减法，$ sub $信号为$ 0 $时表示进行加法；

  • 计算原理

    • 数据位为$ Y_i'=Y_i\oplus sub $

    • 最低位的进位输入为$ sub $

  • 逻辑实现

⑤先行进位加法器（$ Carry\enspace Look-Ahead\enspace Adder $）

  • 计算原理

    • 设进位生成函数：$ G_i=X_iY_i $，进位传递函数：$ P_i=X_i\oplus Y_i $

    • 由$ S_i=X_i\oplus Y_i\oplus C_i $，$ C_{i+1}=X_iY_i+(X_i\oplus Y_i)C_i $可得

      $ S_i=P_i\oplus C_i $，$ C_{i+1}=G_i+P_iC_i $

    • 进位信号仅与$ G $，$ P $，$ C_0 $有关：

      $ C_n=G_{n-1}+P_{n-1}G_{n-2}+P_{n-1}P_{n-2}G_{n-3}+\cdots+P_{n-1}P_{n-2}\cdots P_1P_0C_0 $

    • 成组进位生成函数：$ G^*=G_{n-1}+P_{n-1}G_{n-2}+P_{n-1}P_{n-2}G_{n-3}+\cdots+P_{n-1}P_{n-2}\cdots G_0 $

    • 成组进位传递函数：$ P^*=P_{n-1}P_{n-2}\cdots P_0 $

    • $ C_n=G^*+P^*C_0 $与$ C_1=G_0+P_0C_0 $拥有相同的形式，即$ 4 $位一组的进位信号可以采用相似的原理组成成组的先行进位，便于级联操作。

  • 逻辑实现（$ 4 $位先行进位电路，$ CLA $）

    • $ 4 $位先行进位电路的总延迟为$ 2T $

  • 逻辑实现（四位快速加法器）

    • 利用$ CLA $实现的四位快速加法器总延迟为$ 8T $；
    • 而串行加法器的时间延迟$ (2n+4)T=12T $，相比之下性能提升$ 1.5 $倍。

  • 逻辑实现（$ 16 $位组内并行、组间串行加法器）

    关键延迟为$ 14T $，相比串行的$ (2n+4)T=36T $，性能提升$ 2.6 $倍。

  • 逻辑实现（$ 16 $位组内、组间并行加法器）

    • 将$ G^* $和$ P^* $送至可级联先行进位电路$ (2T) $，实现组间并行；
    • 延迟为$ 12T $，相比串行加法器的时间延迟$ (2n+4)T=36T $，性能提升$ 3 $倍。

2.定点乘法运算

(1)原码一位乘法

  • 符号位运算规则：符号位单独运算，乘积符号位等于乘数和被乘数符号的异或；

  • 数值位运算规则：采用绝对值进行运算，设数值位长度为$ n $，如下图所示：

    • 可见，乘法可由加法实现，存在的问题：

      • 需要多输入的全加器

      • 需要长度为$ 2n $的积寄存器

      • 对应乘数的不同位，部分积左移次数不同，且乘法过程中总移位次数多

  • 运算改进方法：

    • 采用基于一位全加器$ FA $的循环累加$ 0 $或者被乘数

    • 从部分积和乘数寄存器取结果

    • 每次进行累加时，右移部分积，同时右移乘数寄存器，将部分积移出位送入乘数寄存器高位，即将{部分积,乘数寄存器}组合后一起算数右移

      由于原码一位乘法中，符号位不参与运算，因此这里的算术右移操作是指将进位位作为算术右移后的最高位

  • 改进后的运算公式：

    • $ \{P,y\}=\{(P+y_n\vert x\vert),y\}/2 $

    • 部分积$ P $的初值为零，每次将部分积$ P $累加上$ y_n\vert \vert $后连同数据$ y $一起同步算术右移得到新的部分积，一共要进行$ n $次运算和移位操作，最终的$ 2n $位乘积存放在$ P $和$ y $两个寄存器中。

      逻辑左移：数据整体左移一位，最高位$ D_{15} $被移出至$ CF $,最低位$ D_1 $补$ 0 $；

      算术左移：数据整体左移一位，最高位$ D_{15} $被移动，最低位$ D_1 $补$ 0 $；

      逻辑右移：数据整体右移一位，最高位$ D_{15} $补$ 0 $，最低位$ D_1 $被移出；

      算术右移：数据整体右移一位，最高位$ D_{15} $填补符号位，最低位$ D_1 $被移出。

  • 逻辑表示：

(2)补码一位乘法

  • 运算规则：

    • 补码一位乘法中符号位参加运算，乘数取单符号位；

    • 具体运算公式：$ \{P,y\}=\{(P+(y_{n+1}-y_n)[x]_b,y\}/2 $；

    • 在数据末位增加一位附加位$ y_{n+1}=0 $，部分积$ P $初值为$ 0 $

    • 当$ Y_nY_{n+1}=00 $或$ 11 $时，部分积加$ 0 $

    • 当$ Y_nY_{n+1}=01 $时，部分积加$ [x]_b $

    • 当$ Y_nY_{n+1}=10 $时，部分积加$ [-x]_b $

    • 每次部分积计算完毕后连同乘数$ y $一起同步算术右移一位

      由于补码一位乘法中，符号位参与运算，因此这里的算术右移操作是指将符号位作为算术右移后的最高位

    • 由于符号位参与了运算，累加运算需要进行$ n+1 $次，但移位次数只需要进行$ n $次

  • 逻辑表示：

(3)阵列乘法器

①横向进位原码阵列乘法电路
$ n $位的阵列乘法器需要$ n(n-1) $个全加器，时间延迟为$ [n+2(n-2)]*3T+T=(3n-4)*3T+T. $
②斜向进位原码阵列乘法电路
$ n $位的阵列乘法器需要$ n(n-1) $个全加器，时间延迟为$ 2*(n-1)*3T+T=(2n-2)*3T+T. $
③原码阵列乘法器
④补码阵列乘法器
⑤阵列乘法器流水线

3.浮点运算

  • 阶码和尾数采用补码表示的浮点数加减运算

    • 运算概述

      • 设有两个浮点数$ X=2^m\times M_x $，$ Y=2^n\times M_y $

      • 当$ m=n $时，尾数部分直接运算即可得到浮点形式的运算结果；

      • 当$ m\ne n $时，需要使二者阶码相等后再行尾数部分的运算，称为对阶；

      • 尾数的计算结果可能不满足规格化，需要进行规格化处理。

    • 运算过程

      • 对阶（小阶向大阶看齐）

        • 求阶差：对阶码进行减法运算，得到阶码的差值
        • 阶码的调整与尾数的移位：将阶码较小的浮点数的尾数右移$ m-n $位

      • 尾数运算（进行定点运算）

        • 按照定点数的补码加减法运算执行尾数加减操作

      • 规格化运算结果，需要规格化时进行左规或右规操作

        • 为了处理方便，让尾数的符号位扩展成双符号位
        • 当运算结果为$ 11.0\cdots\cdots $或者$ 00.1\cdots\cdots $的形式时为规格化数
        • 非规格化处理
          • 当运算结果为$ 10.\cdots\cdots $或者$ 01.\cdots\cdots $的形式时发生上溢，将尾数右移一位，并将结果的阶码加1；
          • 当运算结果为$ 11.1\cdots\cdots $或者$ 00.0\cdots\cdots $的形式时，需要左规格化，尾数连同符号位一起左移，直到出现$ 11.0\cdots\cdots $或者$ 00.1\cdots\cdots $的形式时结束，左移多少位阶码就减多少。

      • 舍入处理

        • 末位恒置$ 1 $法：只要因为移位丢失的位中有一位为$ 1 $，便在运算结果最低位加$ 1 $；
        • $ 0 $舍$ 1 $入法：当丢失位数的最高位为$ 1 $时在运算结果最低位加$ 1 $；
        • 舍入后可能还需要进行二次规格化

      • 溢出判断

        • 阶码溢出时浮点数才会发生溢出
  • $ IEEE754 $浮点数加减运算

    • 对阶和规格化过程中，阶码运算采用移码加减法运算规则；

    • 尾数的运算采用原码运算规则，且隐藏位要参与运算；

    • 规格化过程

      • 若尾数形式为$ 1.\cdots\cdots $，则为规格化尾数；
      • 若尾数形式为$ 1X.\cdots\cdots $，则向右规格化一次，阶码加$ 1 $；
      • 若尾数形式为$ 0.\cdots\cdots $，则向左规格化直至变为$ 1.\cdots\cdots $，左移多少位阶码就减多少

    • 溢出判断

      • 向右规格化使阶码为全$ 1 $时，发生规格化上溢；
      • 向左规格化使阶码为全$ 0 $时，发生规格化下溢；

4.运算器

  • 定点运算器

    • 算术逻辑运算单元$ ALU $
      • $ n $位$ ALU $包括两个$ n $位的输入操作数$ a $、$ b $，一位进位输入$ C_{in} $，$ AluOp $为运算功能选择操作码，用于选择$ ALU $内部的运算电路；
      • 在$ ALU $内部，所有逻辑、算术运算电路并发运行，多个运算结果分别送入多路选择器输入端，由$ AluOp $选择其中一路结果输出；
      • 输出除了$ result $外，还包括若干状态标志位：$ CF $、$ ZF $、$ OF $、$ SF $。
    • 通用寄存器组
      • 作用：暂存参加运算的数据、运算的中间结果或最后结果。
    • 输人、输出选择电路
      • 作用：对若干个数据的输入、输出进行选择或控制。

  • 运算器结构

    • 单总线结构：$ 2 $个缓冲器，$ 3 $个时钟周期完成运算
    • 双总线结构：$ 1 $个缓冲器，$ 2 $个时钟周期完成运算
    • 三总线结构：$ 0 $个缓冲器，$ 1 $个时钟周期完成运算

  • 浮点运算器

    • 浮点流水线，将浮点运算的步骤进行细分，优化密集型浮点运算性能