運算器,運算器的作用和原理是什么?

運算器的組成
計算機中運算器需要具有完成多種運算操作的功能，因而必須將各種算法綜合起來，設計一個完整的運算部件。運算器的組成決定于整機的設計思想和設計要求，采用不同的運算方法將導致不同的運算器組成。但由于運算器的基本功能是一樣的，其算法也大致相同，因而不同機器的運算器是大同小異的。運算器主要由算術邏輯部件、通用寄存器組和狀態寄存器組成。

1）算術邏輯部件ALU。ALU 主要完成對二進制信息的定點算術運算、邏輯運算和各種移位操作。算術運算主要包括定點加、減、乘和除運算。邏輯運算主要有邏輯與、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、算術左移和右移及其他一些移位操作。某些機器中，ALU 還要完成數值比較、變更數值符號、計算操作數在存儲器中的地址等?？梢?，ALU 是一種功能較強的組合邏輯電路，有時被稱為多功能發生器，它是運算器組成中的核心部件。ALU 能處理的數據位數（即字長）與機器有關。如 Z80 單板機中，ALU 是 8 位；IBM PC/XT 和 AT 機中，ALU 為 16 位；386 和 486 微機中，ALU 是 32 位。ALU 有兩個數據輸入端和一個數據輸出端，輸入輸出的數據寬度（即位數）與 ALU 處理的數據寬度相同。

2）通用寄存器組近期設計的機器的運算器都有一組通用寄存器。它主要用來保存參加運算的操作數和運算的結果。早期的機器只設計一個寄存器，用來存放操作數、操作結果和執行移位操作，由于可用于存放重復累加的數據，所以常稱為累加器。通用寄存器均可以作為累加器使用。通用寄存器的數據存取速度是非?？斓?，目前一般是十幾個毫微秒（ns）。如果 ALU 的兩個操作數都來自寄存器，則可以極大地提高運算速度。

運算器的組成和設計

通用寄存器同時可以兼作專用寄存器，包括用于計算操作數的地址（用來提供操作數的形式地址，據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、程序計數器（PC）、堆棧指示器（SP）等。必須注意的是，不同的機器對這組寄存器使用的情況和設置的個數是不相同的。

3）狀態寄存器狀態寄存器用來記錄算術、邏輯運算或測試操作的結果狀態。程序設計中，這些狀態通常用作條件轉移指令的判斷條件，所以又稱為條件碼寄存器。一般均設置如下幾種狀態位：

（1）零標志位（Z）：當運算結果為 0 時，Z 位置“1”；非 0 時，置“0”；（2）負標志位（N）：當運算結果為負時，N 位置“1”；為正時，置“0”；（3）溢出標志位（V）：當運算結果發生溢出時，V 位置“1”；無溢出時，置“0”；（4）進位或借位標志（C）：在做加法時，如果運算結果最高有效位（對于有符號數來說，即符號位；對無符號數來說，即數值最高位）向前產生進位時，C 位置“1”；無進位時，置“0”。在做減法時，如果不夠減，最高有效位向前有借位（這時向前無進位產生）時，C 位置“1”；無借位（即有進位產生）時，C 位置“0”。

除上述狀態外，狀態寄存器還常設有保存有關中斷和機器工作狀態（用戶態或核心態）等信息的一些標志位（應當說明，不同的機器規定的內容和標志符號不完全相同），以便及時反映機器運行程序的工作狀態，所以有的機器稱它為“程序狀態字”或“處理機狀態字”（Processor Status Word，PSW ）。

與運算器有關的計算機性能指標
1）機器字長

機器字長是指參與運算的數據的基本位數。它決定了寄存器、運算器和數據總線的位數，因而直接影響到硬件的價格。字長標志著計算精度。為協調精度與造價，并滿足多方面的要求，許多計算機允許變字長計算，例如半字長、全字長和雙倍字長等。由于數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關系，字長也就影響到指令系統功能的強弱。計算機字長從 4 位、8 位、16 位、32 位到 64 位不等。機器字長可包含一個或多個字節。用于科學計算的機器，為了確保精度，需要較長的字長；用于數據處理、工業控制的機器，字長為 16 位或 32 位就能滿足要求。

2）運算速度