Introduction
Thearithmeticunitiscomposedofarithmeticlogicunit(ALU),accumulator,statusregister,generalregistergroup,etc.Thebasicfunctionsofthearithmeticlogicunit(ALU)arethefourarithmeticoperationsofaddition,subtraction,multiplication,anddivision,logicaloperationssuchasAND,OR,NOT,XOR,andoperationssuchasshiftandcomplement.Whenthecomputerisrunning,theoperationandoperationtypesofthearithmeticunitaredeterminedbythecontroller.Thedataprocessedbythearithmeticunitcomesfromthememory;theprocessedresultdataisusuallysentbacktothememoryortemporarilystoredinthearithmeticunit.TogetherwiththeControlUnit,itformsthecorepartoftheCPU.
Basictheory
Data
Theprocessingobjectofthearithmeticunitisdata,sothedatalengthandcomputerdatarepresentationmethodhaveagreatimpactontheperformanceofthearithmeticunit.Inthe1970s,microprocessorsoftenused1,4,8,and16binarybitsasthebasicunitofprocessingdata.Mostgeneral-purposecomputersuse16,32,and64bitsasthearithmeticunittoprocessthedatalength.Anarithmeticunitthatcanprocessallbitsofadataatthesametimeiscalledaparallelarithmeticunit.Ifonlyonebitisprocessedatatime,itiscalledaserialarithmeticunit.Somearithmeticunitscanprocessseveralbitsatatime(usually6or8bits),andacompletedataisdividedintoseveralsegmentsforcalculation,whichiscalledaserial/parallelarithmeticunit.Thearithmeticunitoftenonlyhandlesdataofonelength.Somecanalsohandledataofseveraldifferentlengths,suchashalf-word-lengthoperations,double-word-lengthoperations,andquadruple-word-lengthoperations.Somedatalengthscanbespecifiedduringoperation,whichiscalledvariablewordlengthoperation.
Според различните методи за представяне на данни може да има двоична аритметика, десетична аритметика, шестнадесетична аритметика, целочислена аритметика с фиксирана запетая, десетична аритметика с фиксирана запетая, аритметика с плаваща запетая и т.н. s.
Itsmainfunctionistoperformarithmeticandlogicaloperations
Operation
Howmanyoperationsandoperatingspeedthearithmeticunitcanperform,markingtheabilityofthearithmeticunitStrengthorweaknessevenmarksthecapabilitiesofthecomputeritself.Themostbasicoperationofthearithmeticunitisaddition.Addinganumbertozeroisequivalenttosimplytransmittingthenumber.Complementingthecodeofonenumberandaddingittoanothernumberisequivalenttosubtractingthepreviousnumberfromthenextnumber.Subtracttwonumberstocomparetheirsize.
Leftandrightshiftisthebasicoperationofthearithmeticunit.Inasignednumber,thesigndoesnotmovebutonlythedatabitsareshifted,whichiscalledarithmeticshift.Ifthedatamovestogetherwithallthebitsofthesymbol,itiscalledalogicalshift.Ifthehighestbitandthelowestbitofthedataarelinkedtoperformalogicalshift,itiscalledacyclicshift.
ThelogicoperationofthearithmeticunitcanperformbitwiseAND,OR,XORoftwodata,andnegatethebitsofadata.Somearithmeticunitscanalsoperform16kindsoflogicoperationsofbinarycodes.
Multiplicationanddivisionoperationsaremorecomplicated.Manycomputerarithmeticunitscandirectlyperformtheseoperations.Themultiplicationoperationisbasedontheadditionoperation.Thepartialproductissuccessivelygeneratedbyoneorseveralbitsofthemultiplierdecodingcontrol,andthepartialproductisaddedtoobtaintheproduct.Thedivisionruleisoftenbasedonmultiplication,thatis,anumberoffactorsareselectedandmultipliedbythedivisorsothatitisapproximately1,andthesefactorsaremultipliedbythedividendtoobtainthequotient.Computersthatdonotperformmultiplicationanddivisionhardwarecanuseprogramstoachievemultiplicationanddivision,butthespeedismuchslower.Somearithmeticunitscanalsoperformcomplexoperationssuchasfindingthelargestnumberinabatchofdata,continuouslyperformingthesameoperationonabatchofdata,andfindingthesquareroot.
Operationmethod
Torealizetheoperationofthearithmeticunit,especiallythefourarithmeticoperations,areasonableoperationmethodmustbeselected.Itdirectlyaffectstheperformanceofthearithmeticunit,andisalsorelatedtothestructureandcostofthearithmeticunit.Inaddition,whenperformingnumericalcalculations,theeffectivedigitsoftheresultmaybelonger,andcertaineffectivedigitsmustbeintercepted,whichresultsintheroundingoftheleastsignificantdigits.Theselectedroundingrulealsoaffectstheaccuracyofthecalculationresult.Thefollowingfactorsshouldbefullyconsideredwhenchoosingacomputer'snumberrepresentationmethod:Thetypeofnumbertoberepresented(decimal,integer,realnumber,andcomplexnumber):Decideontherepresentationmethodandtherangeofvaluesthatmaybeencountered:Determinestorageandprocessingcapabilities.Numericalaccuracy:relatedtoprocessingpower;hardwarecostrequiredfordatastorageandprocessing:highorlowcost.
Два често използвани формата: формат с фиксирана запетая: формат с фиксирана запетая позволява ограничен диапазон от стойности, но изисква прост хардуер за обработка; формат с плаваща запетая: позволява голям диапазон от стойности, но изисква по-сложен хардуер за обработка.
1.Представяне на число с фиксирана запетая: Фиксирана запетая означава, че позицията на десетичната запетая е фиксирана. За да се улесни обработката, тя обикновено се разделя на чисти цели числа и чисти десетични знаци с фиксирана запетая.
2.Представяне на числа с плаваща запетая: Тъй като обхватът от стойности, които трябва да бъдат представени, е много различен, което носи изключително удобство за съхранение и изчисление, се появява аритметика с плаваща запетая.
Floatingpointnotation,thatis,thepositionofthedecimalpointisfloating.Theideacomesfromscientificnotation.IEEE754floating-pointnumber(morespecial)floating-pointnumberstandardization:mainlytosolvetheproblemofnon-uniquenessofthesamefloating-pointnumberrepresentation.Specify,otherwisethemantissashouldbeshiftedleftorright.
Theconceptofmachinezero:themantissais0ortheordercodevalueislessthanthesmallestnumberthatcanberepresented.
3.Therepresentationmethodofdecimalnumberstring:Sincepeoplearemorefamiliarwithdecimal,itisnecessarytoincreasethesupportfordecimaloperationsinthecomputer.Twomethods:convertdecimalnumberintobinarynumberoperation,andthenchangefrombinarytodecimalwhenoutput.Directdecimalcalculation.Representationmethodofdirectoperation:stringform:usedfornon-numericalcalculationfield,compresseddecimalnumberstring:dividedintofixedlengthandvariablelength.Correspondingdecimalarithmeticunitandinstructionsupportarerequired.
4.Customdatarepresentation:markerdatarepresentation,descriptordatarepresentation.Difference:Theidentifierisconnectedtoeachdata,andthetwoarestoredtogetherinastorageunit,andthedescriptormustbestoredseparatelyfromthedata;inthedescriptorrepresentation,thedescriptorisaccessedfirst,andthenthedataisaccessed.Atleastonememoryaccessisadded;descriptionSymbolsarepartoftheprogram,notpartofthedata.Originalcode:Morenaturalnotation,thehighestbitrepresentsthesign,0ispositive,1isnegative.Advantages:simpleandeasytounderstand.Disadvantages:complexadditionandsubtractionoperations.Complement:Itisconvenientforadditionandsubtraction,andsubtractioncanbeconvertedtoaddition.Thecomplementofafixed-pointdecimal.Fixed-pointinteger'scomplement,inversecode:Introducedfortheconvenienceofcalculatingthecomplement.Complementthecodefromtheinversecode:thesymbolpositionis1,thebitsareinverted,andthelastbitisincreasedby1.Shiftcode:Itisusedtoexpresstheordercode.Itiseasytocomparethesizeoftwocodeshifts,whichisconvenientforordering.
ASCIIcodeinputcode:usedforChinesecharacterinput;Chinesecharacterstorage;fontcode:usedforChinesecharacterdisplay.Twomethodsofremainderprocessing:restoringremaindermethod:theoperationstepsareuncertain,thecontroliscomplicated,anditisnotsuitableforcomputeroperations.Alternateadditionandsubtractionmethod:Theremainderisnotrestored,thecalculationstepsaredetermined,anditissuitableforcomputeroperations.Logicalnumberconcept:unsignedbinarynumber.Fourlogicaloperations:logicalnegation,logicaladdition,logicalmultiplication,andlogicalexclusive.Multi-functionalarithmetic/logicoperationunit(ALU)Parallelcarry,twoproblemswithtravelingwavecarryadder/subtractor:longoperationtime,travelingwavecarryadder/subtractorcanonlycompleteadditionandsubtraction,butnotlogicaloperations,ThecontrolterminalMisusedtocontrolwhethertoperformarithmeticoperationsorlogicaloperations.Thedifferencebetweenthetwooperationsliesinwhetherthecarryisprocessed.WhenM=0,ithasnoeffectonthecarryandisanarithmeticoperation;whenM=1,thecarryisblockedanditisalogicaloperation.Inpositivelogic,"1"isrepresentedbyahighlevel,and"0"isrepresentedbyalowlevel,whilenegativelogicisjusttheopposite.Therelationshipbetweenlogicandnegativelogicisthatthe"and"ofpositivelogicbecomes"or"innegativelogic,thatis,+·exchange.
Internalbus,busclassification:internalbus,externalbus(systembus),communicationbus.Thebuscanbedividedintoone-waybusandtwo-waybus.Thebuswithlatchcanrealizebusmultiplexing.ThearithmeticunitincludeslogiccomponentssuchasALU,arraymultiplicationanddivisiondevices,registers,multiplexers,three-statebuffers,anddatabuses.ThedesignofthearithmeticunitmainlyrevolvesaroundhowtotransferoperandsandoperationresultsbetweentheALUandtheregisterandthedatabus.Therearethreestructuralformsofthearithmeticunit:asingle-busstructurearithmeticunit:Themaindisadvantageofthisstructureisthattheoperationprogressisrelativelyslow,butthecontrolcircuitisrelativelysimple.Thearithmeticunitwithdualbusstructure.Thearithmeticunitofthethree-busstructure:Thecharacteristicofthearithmeticunitofthethree-busstructureisfastoperationtime.
Structure
Thearithmeticunitincludesthreeparts:register,executionpartandcontrolcircuit.Thereare3registersinatypicalarithmeticunit:thereceivingregisterthatreceivesandsavesoneoperand;theaccumulationregisterthatsavestheotheroperandandtheresultoftheoperation;themultiplierregisterthatsavesthemultiplierorquotientwhenmultiplyinganddividingoperations.Executioncomponentsincludeanadderandvarioustypesofinputandoutputgates.Thecontrolcircuitsendsoutdifferentcontrolsignalsaccordingtoacertaintimesequence,sothatthedataenterstheregisterortheadderthroughthecorrespondinggatecircuittocompletethespecifiedoperation.Inordertoreducetheaccesstothememory,thearithmeticunitsofmanycomputershavemoreregisterstostoreintermediatecalculationresultssothattheycanbedirectlyusedasoperandsinsubsequentcalculations.Inordertoincreasethecalculationspeed,somelargecomputershavemultiplearithmeticunits.Theycanbedifferenttypesofarithmeticunits,suchasfixed-pointadders,floating-pointadders,multipliers,etc.,ortheycanbethesametypeofarithmeticunits.Thecompositionofthearithmeticunitisdeterminedbythedesignideasanddesignrequirementsofthewholemachine,anddifferentarithmeticmethodswillleadtodifferentcompositionofthearithmeticunit.However,becausethebasicfunctionsofthearithmeticunitsarethesame,andtheiralgorithmsareroughlythesame,thearithmeticunitsofdifferentmachinesaresimilar.Thearithmeticunitismainlycomposedofarithmeticlogiccomponents,generalregistergroupandstatusregister.1.ThearithmeticlogicunitALU.ALUmainlycompletesfixed-pointarithmeticoperations,logicaloperationsandvariousshiftoperationsonbinaryinformation.Arithmeticoperationsmainlyincludefixed-pointaddition,subtraction,multiplicationanddivisionoperations.LogicaloperationsmainlyincludelogicalAND,logicalOR,logicalexclusiveORandlogicalNOToperations.Theshiftoperationmainlycompleteslogicalleftandrightshifts,arithmeticleftandrightshiftsandothershiftoperations.Insomemachines,ALUalsoneedstocompletenumericalcomparison,changenumericalsign,calculatetheaddressofoperandinmemory,etc.ItcanbeseenthatALUisapowerfulcombinationallogiccircuit,sometimescalledamulti-functiongenerator,anditisthecorecomponentofthearithmeticunit.Thenumberofdatabits(iewordlength)thatALUcanhandledependsonthemachine.Forexample,intheZ80single-boardcomputer,theALUis8bits;intheIBMPC/XTandATmachines,theALUis16bits;inthe386and486microcomputers,theALUis32bits.ALUhastwodatainputterminalsandonedataoutputterminal.Theinputandoutputdatawidth(thatis,thenumberofbits)isthesameasthedatawidthprocessedbyALU.
2.Thearithmeticunitofthemachinedesignedbythegeneralregistersethasasetofgeneralregisters.Itismainlyusedtosavetheoperandsparticipatingintheoperationandtheresultoftheoperation.Earlymachinesonlydesignedaregistertostoreoperands,operationresults,andperformshiftoperations
.Becauseitcanbeusedtostorerepeatedlyaccumulateddata,itisoftencalledanaccumulator.Allgeneralregisterscanbeusedasaccumulators.Thedataaccessspeedofgeneralregistersisveryfast,generallyadozennanoseconds(μs).IfbothoperandsofALUcomefromregisters,theoperationspeedcanbegreatlyimproved.General-purposeregisterscanbeusedasspecialregistersatthesametime,includingtheaddressusedtocalculatetheoperand(usedtoprovidetheformaladdressoftheoperand,andthenformaneffectiveaddresstoaccessthemainmemoryunit).Forexample,itcanbeusedasindexregister,programcounter(PC),stackpointer(SP),etc.Itmustbenotedthatdifferentmachinesusethissetofregistersandthenumberofsettingsisdifferent.
3.StatusregisterThestatusregisterisusedtorecordtheresultstatusofarithmetic,logicoperationortestoperation.Inprogramdesign,thesestatesareusuallyusedasthejudgmentconditionsofconditionaltransferinstructions,sotheyarealsocalledconditioncoderegisters.Generally,thefollowingstatusbitsareset:
1)Zeroflagbit(Z): Когато резултатът от операцията е 0, Zпозицията е "1"; когато не е 0, е зададена на "0";
2) Отрицателен флагбит(N): Когато резултатът от операцията е отрицателен, позицията N е "1"; когато е положителна, е зададена на "0";
3)Overflowflagbit(V): Когато резултатът от операцията препълва, Vпозицията е "1"; когато няма препълване, се задава на "0";
4)Флаг за пренасяне или заемане (C): Когато се извършва добавяне, ако операцията води до най-големия значим бит (за числа със знак, битът със знак; за числа без знак, най-големият бит от стойността), когато се извършва пренасяне напред, позицията е "1"; когато няма пренасяне, се задава на "0". Когато се извършва изваждане, ако няма нужда да се изважда, и най-значимият бит е зает напред (няма пренасяне в този момент), позицията е "1" ;когато няма заемане(тоест,има генериране на пренос), Cпозицията е "0". В допълнение към горните състояния, регистърът на състоянието често се предоставя с някои флагове, които запазват информация за прекъсвания и работни състояния на машината (състояние на потребителя или основно състояние) (трябва да се отбележи, че съдържанието и символите на флаговете, определени от различни машини, са забелязани абсолютно същото), така че да отразява навреме работното състояние на машината, изпълняваща програмата, така че някои машини да наричат "дума за състояние на програма" или "дума за състояние на процесор" (ProcessorStatusWord, PSW).
Performanceindicators
1.Machinewordlength,machinewordlengthreferstothebasicdigitsofthedatainvolvedintheoperation.Itdeterminesthenumberofbitsofregisters,arithmeticunitsanddatabuses,whichdirectlyaffectsthepriceofhardware.Thewordlengthindicatestheaccuracyofthecalculation.Inordertocoordinateaccuracyandcost,andmeetvariousrequirements,manycomputersallowvariablewordlengthcalculations,suchashalfwordlength,fullwordlength,anddoublewordlength.Sincethenumbersandinstructioncodesareplacedinthemainmemory,thewordlengthandtheinstructioncodelengthoftenhaveacorrespondingrelationship,andthewordlengthalsoaffectsthestrengthoftheinstructionsystemfunction.Computerwordlengthsrangefrom4bits,8bits,16bits,32bitsto64bits.Themachinewordlengthcancontainoneormorebytes.Inordertoensureaccuracy,themachineusedforscientificcomputingneedsalongwordlength;fordataprocessingandindustrialcontrolmachines,awordlengthof16or32bitscanmeettherequirements.
2.ComputingspeedItisoneofthemainindicatorsofacomputer.Thetimerequiredforthecomputertoperformdifferentcalculationsandoperationsmaybedifferent,sotherearedifferentcalculationmethodsforthecalculationspeed.Generally,theaveragespeedisusuallyexpressedbytheaveragenumberofinstructionsthatcanbeexecutedperunitoftime.Forexample,acomputeroperatingspeedof1milliontimespersecondmeansthatthemachinecanexecuteanaverageof1millioninstructionsinonesecond(ie1MIPS).Sometimestheweightedaveragemethod(thatis,calculationbasedontheexecutiontimeofeachinstructionandthepercentageoftheinstructioninalloperations)isusedtoexpresstheequivalentspeed.
Functionclassification
Thebasicfunctionofthearithmeticunitistocompletetheprocessingofvariousdata,suchasthefourarithmeticoperations,logicaloperationssuchasAND,OR,negation,arithmeticandlogicshiftBitmanipulation,comparingvalues,changingsigns,calculatingmainmemoryaddresses,etc.Theregisterinthearithmeticunitisusedtotemporarilysavethedataparticipatingintheoperationandtheintermediateresultoftheoperation.Correspondingcomponentsarealsosetinthearithmeticunittorecordthecharacteristicsoftheresultofanoperation,suchaswhetheritoverflows,thesignbitoftheresult,whethertheresultiszero,andsoon.Therearemanytypesofarithmeticunitsusedbycomputers,andtherearedifferentclassificationmethodsfromdifferentperspectives.Fromtherepresentationofthedecimalpoint,itcanbedividedintofixed-pointarithmeticandfloating-pointarithmetic.Thefixed-pointarithmeticunitcanonlyperformfixed-pointnumberoperations,andischaracterizedbyasmallerrangerepresentedbythemachinenumber,butasimplerstructure.Floatingpointarithmetichasstrongfunctions,whichcanperformoperationsonbothfloating-pointnumbersandfixed-pointnumbers.Thenumberrepresentationrangeisverylarge,butthestructureisquitecomplicated.Fromthecarrysystem,itisdividedintobinaryarithmeticanddecimalarithmetic.Generally,computersusebinaryarithmeticunits.Ascomputersarewidelyusedinbusinessanddataprocessing,moreandmoremachineshaveexpandedthefunctionsofdecimalarithmetic,sothatthearithmeticunitscanperformbothbinaryanddecimalarithmetic.Thearithmeticunitinthecomputerneedstohavethefunctionofcompletingavarietyofarithmeticoperations,sovariousalgorithmsmustbeintegratedtodesignacompletearithmeticcomponent.Floatingpointarithmeticunit
1.Общата структурааритметична единица с плаваща запетая
Floatingpointarithmeticcanberealizedbytwolooselyconnectedfixed-pointarithmeticcomponents:namelyTheordercodecomponentandthemantissacomponent,thegeneralstructureofthefloatingpointarithmeticunit,themantissacomponentisessentiallyageneralfixed-pointarithmeticunit,whichisrequiredtoimplementfourbasicarithmeticoperationsofaddition,subtraction,multiplication,anddivision.Amongthem,threesingle-wordlongregistersareusedtostoretheoperands:ACistheaccumulator,MQisthemultiplierregister,andDRisthedataregister.ACandMQcanalsobeconnectedtoformadouble-wordlongregisterAC-MQthatshiftsleftandright.Paralleladderisusedtocompletetheprocessingof
intodata.ItsinputcomesfromACandDR,andtheresultissentbacktoAC.TheMQregisterstoresthemultiplierduringmultiplicationandthequotientduringdivision,soitiscalledthemultiplierregister.DRisusedtostorethemultiplicandordivisor,andtheresult(productorquotientandremainder)isstoredinAC-MQ.Inthefourarithmeticoperations,thetypicalmethodsofusingtheseregistersareasfollows:
ОперациякатегориярегистървръзкасъбиранеAC+DR→ACизважданеAC-DR→ACумножениеDR×MQ→AC－MQделение AC÷DR→AC－MQ
Fortheordercodecomponent,aslongasitcanperformordercodeaddition,subtractionandcomparisonoperations.InFigure2-21,theorderpartoftheoperandisplacedinregistersE1andE2,whichareconnectedtotheparalleladderforcalculation.Theordercodecomparisonrequiredforfloating-pointadditionandsubtractionisrealizedthroughE1-E2,andtheresultofthesubtractionisputintothecounterE,andthenaccordingtothesignofE,itisdeterminedwhichordercodeislarger.Beforethemantissaisaddedorsubtracted,amantissaneedstobeshifted.ThisiscontrolledbythecounterE.ThepurposeistoreducethevalueofEto0inorder.EachtimeEissubtractedby1,thecorrespondingmantissaisshiftedtotherightby1bit.Oncethemantissaisfinishedathighspeed,theycanbeprocessedaccordingtotheusualfixed-pointmethod.TheordercodevalueoftheoperationresultisstillputinthecounterE.
2.Pointcoprocessor,80x87isaspecialarithmeticoperationprocessordesignedandproducedbyIntelCorporationforprocessingfloating-pointnumbersandotherdataarithmeticoperationsandavarietyoffunctioncalculations.Becausetheirarithmeticoperationsarecarriedoutwith80x86CPU,theyarealsocalledcoprocessors.Wetake80x87asanexampletodiscussthecompositionoffloating-pointarithmeticcomponents.Themainfunctionsofthefloating-pointcoprocessorareasfollows:(1)ItcanworkasynchronouslyandinparallelwiththesupportingCPUchip.80x87isequivalenttoanI/Ocomponentof386.Ithasitsowninstructions,butitcannotbeusedalone.Itcanonlybeusedasacoprocessorofthe386mainCPUtooperate.Becausetherealworkofreadingandwritingmainmemoryisnotdoneby80x87,butby386.Iftheinstructionreadbythe386fromthemainmemoryisan80x87floating-pointarithmeticinstruction,theysendtheinstructionto80x87inoutputmode,andafter80x87receivesit,itdecodesandperformsfloating-pointarithmetic.Duringtheoperationofthe80x87,the386cantakeanotherinstructiontoexecute,thusachievingparallelwork.Ifthe386fetchesanother80x87instructionwhilethe80x87isexecutingthefloating-pointarithmeticinstruction,the80x87rejectsitbygivinga"busy"signsignal,causingthe386tosuspendsendingcommandstothe80x87.Onlyafter80x87completesthefloatingpointoperationandcancelsthe"busy"signsignal,the386canperformasendingoperation.(2)Theinternalstructureofhigh-performance80-bitwordlength,thereare880-bitwordlengthregistergroupsmanagedbystack.80x87uses80-bittemporaryrealnumbersandother6datatypestoperformautomaticconversionwhenfetchingnumbersfromthememoryandwritingnumberstothememory.Alldataarerepresentedintheformof80-bittemporaryrealnumbersin80x87.Therefore,80x87hasan80-bitinternalstructure,andthereareeight80-bitword-lengthregistergroupsmanagedina"first-in-last-out"manner,alsoknownastheregisterstack.Theseregisterscanworkinastackmode.Atthistime,thetopofthestackisusedasanaccumulator;itisalsopossibletodirectlyaccessanyregisteraccordingtotheregisternumber.(3)Theformatoffloating-pointnumbersisinfullcompliancewiththeinternationalstandardsestablishedbyIEEE.(4)Itcanprocess7kindsofdataincludingbinaryfloating-pointnumbers,binaryintegersanddecimalnumberstrings.The7datatypesarerepresentedintheregisterasfollows:shortinteger(32-bitinteger)S31-bit(two'scomplement)longinteger(64-bitinteger)S63-bit(two'scomplement)shortrealnumber(32-bitfloatingpoint)SExponentmantissa(23bits)Longrealnumber(64-bitfloatingpointnumber)SExponentmantissa(52bits)Temporaryrealnumber(80-bitfloatingpointnumber)SExponentmantissa(64bits)Decimalnumberstring(decimal18bits)S－－d17d16...d1d0.HereSisasignbit,0standsforpositiveand1standsfornegative.Thebasevalueofthethreefloating-pointnumbersis2.Theordercodevalueisexpressedbyashiftcode,andthemantissaisexpressedbytheoriginalcode.Therearethreetypesofmantissa:32-bit,64-bit,and80-bit.Itisnotonlyafloatingpointarithmeticunit,butalsoincludesallthecontrolcircuitsneededtoperformdataoperations.Asfarastheoperationpartisconcerned,therearepartsthatprocesstheexponentpartofthefloatingpointnumberandthepartthatprocessesthemantissapart,aswellastheshiftoperationthatacceleratestheshiftoperation.Positionercircuits,whichareconnectedtoeight80-bitword-lengthregisterstacksthroughtheexponentbusandthedecimalbus.(5)InternalerrormanagementfunctionInordertoensurethecorrectexecutionoftheoperation,the80x87alsosetsupthree16-bitword-lengthregisters,namelythefeatureregister,thecontrolwordregisterandthestatusregister.Thecharacteristicregisteruseseverytwobitstoindicatethestatusofeachregisterintheregisterstack,thatis,whenthecharacteristicvalueis00-11fourcombinations,itindicatesthatthecorrespondingregisterhascorrectdata,datais0,dataisillegal,andthereisnodata.Thecontrolwordregisterisusedtocontroltheinternaloperationofthe80x87.PCistheprecisioncontrolbitfield(2bits):00is24bits,01isspare,10is53bits,and11is64bits.RCistheroundingcontrolbitfield(2bits):00isroundingtothenearest,01isroundedinthe-direction,10isroundedinthe+direction,and11isroundedto0.ICistheinfinitycontrolbit:whenthebitis0,+and-aretreatedasthesamevalue,andwhenthebitis1,+and-arenottreatedasthesamevalue.Thelower6bitsofthecontrolregisterareusedasabnormalinterruptmaskbits:IMisillegalprocessing,DMisillegaloperand,ZMis0asthedivisor,OMisoverflow,UMisunderflow,andPMisprecisiondecrease.Thestatuswordregisterisusedtoindicatethe80x87resultprocessing.Forexample,whenthe"busy"flagis1,itmeansthatafloating-pointarithmeticinstructionisbeingexecuted,andifitis0,itmeansthatthe80x87isidle.Thelower6bitsofthestatusregisterindicate6typesofabnormalerrors,whicharethesameasthelower6bitsofthecontrolregister.Whenthecontrolregisterbitis0(unmasked)andthestatusregisterbitis1,aninterruptrequestisgeneratedduetoanabnormalerror.
3.Аритметичният блок с плаваща запетая в процесора, процесорът Pentium включва аритметичен блок с плаваща запетая в чипа. Аритметични компоненти с плаваща запетая приемат тръбопроводен дизайн. Процесът на изпълнение на инструкции е разделен на 8 конвейера. извличане (EX), което е завършено в U, V тръбопровода; последните 4 етапа са изпълнение 1 (X1), изпълнение 2 ( X2), резултатът се записва обратно в регистровия файл (WF), доклад за грешка (ER), завършен в калкулатора с плаваща запетая. При нормални обстоятелства инструкцията за работа с плаваща запетая се изпълнява от V-провода. databusis80-bitwide. Следователно модулът с плаваща запетая може да поддържа числа с плаваща запетая във формат с единична и двойна точност на стандарта IEEE754. ,също се използва 80-битово число с плаваща запетая, наречено временно реално число. За извличане на плаваща запетая, събиране, умножение и други операции се използват нови алгоритми и се изпълняват от хардуера и скоростта на изпълнение е повече от 10 пъти от тази на 80486.
Development
Inthe5thcenturyBC,theChineseinventedtheabacus,whichiswidelyusedincommercialtrade.Theabacusisconsideredtheearliestcomputerandhasbeenusedtoday.Insomeaspects,thecomputingpoweroftheabacusexceedsthatofthecomputer,andtheaspectoftheabacusreflectsthewisdomoftheChinesepeople.
Itwasnotuntilthe17thcenturythatcomputingequipmentmadethesecondmajoradvancement.In1642,FrenchmanBlaisePascal(1623-1662)inventedtheautomaticcarryadder,calledPascalene.In1694,theGermanmathematicianGottfriedWilhemvonLeibniz(1646-1716)improvedPascalinesothatitcouldcalculatemultiplication.Later,FrenchmanCharlesXavierThomasdeColmarinventedacalculatorthatcanperformfourarithmeticoperations.ThetrueoriginofmoderncomputerscomesfromCharlesBabbage,aBritishmathematicsprofessor.CharlesBabbagefoundthattherearemanyerrorsintheusualcomputingequipment.WhenstudyinginCambridge,hethoughtthatasteamenginecouldbeusedforcalculations.Atfirst,hedesignedthedifferenceenginetocalculatethenavigationtable.Later,hefoundthatthedifferenceenginewasonlyaspecialpurposemachine,sohegaveuptheoriginalresearchandbegantodesignananalysismachinethatincludedthebasiccomponentsofmoderncomputers.(AnalyticalEngine)
AlthoughBabbage’ssteam-poweredcomputerwasnotcompletedintheend,itisstillveryprimitivebytoday’sstandards.However,itoutlinesthebasicfunctionsofmoderngeneral-purposecomputersandisaconceptualbreakthrough..
Inthefollowingyears,manyengineersmadeimportantprogressinotherareas.TheAmericanHermanHollerith(1860-1929)inventedtheperforatedsheetcomputerbasedontheprincipleofthejacquardloom.Andbringitintothecommercialfieldtoestablishacompany.
Историята на развитието на съвременните компютри
Първото поколение електронни тръбни компютри (1946-1957)
February15,1946,ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)wasmadepublicinPhiladelphia.ENIACrepresentsamilestoneinthehistoryofcomputerdevelopment.Italsohasparallelcomputingcapabilitiesthroughrewiringprogrammingbetweendifferentparts.ENIACisjointlydevelopedbytheUSgovernmentandtheUniversityofPennsylvania.Ituses18,000tubes,70,000resistors,5millionsolderjoints,consumes160kilowattsofpower,andhasacalculationspeedof5,000operationspersecond.Thefirstgenerationofcomputersischaracterizedbyoperatinginstructionsthatareprogrammedforspecifictasks.Eachmachinehasitsowndifferentmachinelanguage,itsfunctionsarelimited,anditsspeedisslow.Anotherobviousfeatureistheuseofvacuumtubesandmagneticdrumstostoredata.
Транзисторен компютър от второ поколение (1957-1964)
In1948,thetransistorwasinventedtoreplacethebulkyelectronictube.Thevolumeoftheequipmentcontinuestodecrease.In1956,transistorswereusedincomputers,andtransistorsandmagneticcorememoryledtothesecondgenerationofcomputers.Thesecond-generationcomputersaresmallinsize,fastinspeed,lowinpowerconsumption,andmorestableinperformance.In1960,thereweresomesecond-generationcomputersthatweresuccessfullyusedinbusiness,universities,andgovernmentdepartments.Second-generationcomputersreplacedelectrontubeswithtransistors,andsomepartsofmoderncomputers:printers,tapes,disks,memory,operatingsystems,andsoon.Theprogramsstoredinthecomputermakethecomputeradaptableandcanbeusedmoreeffectivelyforcommercialpurposes.Duringthisperiod,moreadvancedlanguagessuchasCOBOLandFORTRANappearedtomakecomputerprogrammingeasier.Newprofessions(programmers,analysts,andcomputersystemsexperts)andtheentiresoftwareindustrywereborn.
Компютър с интегрална схема от трето поколение (1964-1972)
In1958,TexasInstrumentsengineerJackKilbyinventedtheintegratedcircuit(IC),combiningthreeelectroniccomponentsintoasmallOnasmallsiliconchip.Morecomponentsareintegratedonasinglesemiconductorchip,andcomputersbecomesmaller,consumelesspower,andarefaster.Thedevelopmentofthisperiodalsoincludedtheuseofoperatingsystems,whichenabledthecomputertorunmanydifferentprogramssimultaneouslyunderthecontrolandcoordinationofthecentralprogram.
Компютър с широкомащабна интегрална схема от четвърто поколение (1972 г. до днес)
Large-scaleintegratedcircuit(LSI)canaccommodatehundredsofcomponentsonachip.Bythe1980s,verylargescaleintegratedcircuits(VLSI)containedhundredsofthousandsofcomponentsonachip,andlater(ULSI)expandedthenumbertothemillions.Theabilitytoaccommodatesuchanumberofcomponentsonacoin-sizedchipmakesthesizeandpriceofthecomputercontinuetodecline,whilethefunctionalityandreliabilitycontinuetoincrease.Inthemid-1970s,computermanufacturersbegantobringcomputerstoordinaryconsumers.Atthistime,minicomputershadsoftwarepackageswithfriendlyinterfaces,programsfornon-professionals,andthemostpopularwordprocessingandspreadsheetprograms.In1981,IBMintroducedpersonalcomputers(PCs)foruseinhomes,offices,andschools.Thecompetitionofpersonalcomputersinthe1980scausedpricestocontinuetofall,thenumberofmicrocomputerscontinuedtoincrease,andcomputerscontinuedtoshrinkinsize.TheAppleMacintoshseries,whichcompeteswiththeIBMPC,waslaunchedin1984.TheMacintoshprovidesafriendlygraphicalinterfacethatuserscaneasilyoperatewithamouse.
Хроника на хрониките
През 1666 г. Самуел Морланд в Обединеното кралство изобретява механична машина за броене, която може да изчислява събиране и изваждане.
In1673,GottfriedLeibnizmadeasteppedcylindricalreelcountingmachinecalled"SteppedReckoner".ThiscalculatorcanmultiplyrepeatednumbersandautomaticallyAddittotheadder.
In1694,theGermanmathematician,GottfriedLeibniz,improvedPascaleneofPascaleandcreatedamachinethatcancalculatemultipliers.Itisstilloperatedbygearsanddials.
In1773,Philipp-Matthausmanufacturedandsoldasmallnumberofcomputingmachinesaccurateto12bits.
In1775,ThethirdEarlofStanhopeinventedamultiplicationcalculatorsimilartoLeibniz.
През 1786 г. J.H.Mueller проектира диференциален двигател, но за съжаление нямаше финансиране за създаването му.
През 1801 г. станът на Джоузеф-Мари Жакард използва последователна перфокарта, за да контролира модела на тъкане.
In1854,GeorgeBoolepublished"AnInvestigationoftheLawsofThought",whichisaboutsymbolsandlogicalreasons,whichlaterbecamethebasicconceptofcomputerdesign.
In1858,atelegraphlinecrossedtheAtlanticforthefirsttimeandprovidedseveraldaysofservice.
In1861,atelegraphlineacrossthecontinentconnectedtheAtlanticandPacificcoasts.
През 1876 г. Александър Греъм Бел изобретява телефона и получава патент.
From1876to1878,BaronKelvinmanufacturedanovertoneanalyzerandtidepredictor.
През 1882 г. Уилям С. Бъроуз напуска тази работа като банков служител и се съсредоточава върху изобретяването на хедера.
In1889,HermanHollerith'selectricwatchmakingmachineperformedwellinthecompetitionandwasusedinthe1890census.HermanHollerithusestheconceptoftheJacquardloomforcalculations.Heusesacardtostoredataandtheninjectstheresultsintothemachinetocompile.Thismachineenabledthecensusresultsthatwouldhavetakentenyearstobeobtainedinjustsixweeks.
През 1893 г. е изобретен първият калкулатор с четири функции.
През 1895 г. Гулиелмо Марконисента излъчи сигнал.
През 1896 г. Холър основава компанията за машини за изготвяне на таблици (Компания за машини за изготвяне на таблици).
През 1901 г. се появи перфораторът и през следващия половин век имаше няколко промени.
През 1904 г. Джон Флеминг получава патента за вакуумни диоди, които поставят основата за радиокомуникации.
In1906,LeedeForedtaddedadiodewithathirdvalveinFelmingandcreatedathree-electrodevacuumtube.
През 1907 г. музикални записи създават първата официална радиостанция в Ню Йорк.
In1908,BritishscientistCampbellSwintondescribedtheelectronicscanningmethodandpredictedtheuseofcathoderaytubestomaketelevisions.
През 1911 г. компанията за часовници на Холерит се слива с две други компании, за да формира Computer Tabulating Recording Company (C-T-R), компания за производство и запис на часовници. Но през 1924 г. тя е преименувана на International Business MachineCorporation (IBM).
In1911,theDutchphysicistKamerlinghOnnesdiscoveredsuperconductivityinLeidenUnversity.
In1931,VanneverBushinventedacountingmachinethatcansolvedifferenceprograms.Thismachinecansolvesomecomplicateddifferenceprogramsthatmakemathematiciansandscientistsheadaches.
In1935,IBM(InternationalBusinessMachineCorporation)introduced"IBM601",whichisapunchcardmachinewitharithmeticcomponentsandamultiplierthatcanbecalculatedin1second.Itplaysagreatroleinscientificandcommercialcalculations.Atotalof1,500unitsweremanufactured.
In1937,AlanTuringcameupwiththeconceptofa"UniversalMachine",whichcanexecuteanyalgorithm,formingabasicconceptof"computability".TheconceptofTuringisbetterthanotherinventionsofthesametypebecauseitusestheconceptofsymbolprocessing.
InNovember1939,JohnVincentAtannsoffandJohnBerrybuilta16-bitadder.Itisthefirstmachinetocalculatewithvacuumtubes.
През 1939 г. Zuse и Schreyer създадоха "V2" [по-късно наречено Z2]. Тази машина използва механичното съхранение на Z1, плюс нов варитемтичен компонент, използващ RelayLogic.. Но когато Zuse завърши черновата, планът беше прекъснат за една година.
През 1939-40 г. Шрайер завършва 10-цифрен суматор с вакуумна тръба и памет с включена лампа (неонна светлина).
InJanuary1940,atBellLabs,SamuelWilliamsandStibitzcompletedamachinethatcancalculatecomplexnumbers,calledthe"ComplexNumberCalculator",whichwaslaterrenamedthe"CircuitBreaker"CountingmachinemodelI(ModelIRelayCalculator)".Itusestelephoneswitchpartsaslogiccomponents:145circuitbreakersand10barswitches.Thenumbersarerepresentedby"Plus3BCD".InSeptemberofthesameyear,theteletypeetypewasinstalledinamathconferenceandwasconnectedtoNewYorkbyNewHampshire.
През 1940 г. Zuse най-накрая завърши Z2. Работи по-добре, отколкото, но не и по-надеждно.
Inthesummerof1941,AtanasoffandBerrycompletedacalculatordesignedtosolvethesystemofsimultaneouslinearequations(systemofsimultaneouslinearequations),whichwaslatercalled"ABC(Atanasoff-BerryComputer)".Thereare6050-bitmemoriesinstalledontworotatingdrumsintheformofcapacitors(capacitories),andtheclockspeedis60Hz.
През февруари 1941 г. Zuse завърши "V3" (наречен по-късно Z3), който беше първата машина за броене, която можеше да бъде програмирана за работа. Използва операции с плаваща запетая със 7-битова експонента, 14-битова мантиса и знак. Паметта може да съхранява 64 думи, така че са необходими 1400 разбивача. meticandcontrolcomponents, и програмирането, входът и изходът са същите като Z1. През януари 1943 г. Хауърд Х. Ейкън завърши "ASCCMarkI" (AutomaticSequence-ControlledCalculatorMarkI) ,известен също като "HawardMarkI". Тази машина е дълга 51 фута, тежи 5 тона и е съставена от 750 000 части. Има 72 акумулатора, всеки със собствена аритметична единица и 23-цифрен регистър.
През декември 1943 г. Томи Флауърс и неговият екип завършиха първия "Колос". Той имаше 2400 вакуумни тръби, използвани като логически компоненти, и 5 устройства за четене на хартиени ленти (четци), всеки може да работи с 5000 знака в секунда.
In1943,undertheleadershipofJohnBrainered,ENIACbeganresearch.JohnMauchlyandJ.PresperEckertareresponsiblefortheimplementationofthisplan.
Първият електронен цифров интегрален калкулатор (ENIAC) е създаден в Съединените щати през 1946 г.
През 1947 г. е създадено Американското дружество на калкулаторите (ACM).
In1947,BritaincompletedthefirststoragevacuumtubeO1948BellTelephoneCompanydevelopedintoasemiconductor.
През 1949 г. Великобритания завърши изграждането на „Електронния автоматичен калкулатор със забавено съхранение“ (EDSAC)
През 1950 г. терминът "автоматизация" е използван за първи път в автомобилната индустрия.
In1951,theMassachusettsInstituteofTechnologymadeamagneticcore
През 1952 г. се ражда първият "калкулатор със съхранена програма".
През 1952 г. първата широкомащабна компютърна система IBM701 обяви завършването на конструкцията.
През 1952 г. е изобретена първата машина за превод на жестов език.
In1954,thefirstsemiconductorcomputerwassuccessfullydevelopedbyBellTelephoneCompany.
През 1954 г. се ражда първият процесор за данни с общо предназначение IBM650.
През 1955 г. е построен първият широкомащабен компютър IBM705, използващ магнитно ядро.
През 1956 г. IBM пусна научния704компютър. През 1957 г. се появи езикът за програмиране FORTRAN.
In1959,thefirstsmallscientificcalculatorIBM620wassuccessfullydeveloped.
През 1960 г. системата за обработка на данни IBM1401 беше успешно разработена.
През 1961 г. излезе езикът за програмиране COBOL.
In1961,thefirstsub-systemcomputerwasdesignedandcompletedbytheMassachusettsInstituteofTechnology.
През 1963 г. се появи основният език.
През 1964 г. е направен компютър от серията IBM360 от трето поколение.
През 1965 г. AmericanDigitalEquipmentCorporation пусна първия миникомпютърPDP-8.
През 1969 г. IBM успешно разработи машина и система с 90 колонни карти - 3 компютърна система.
През 1970 г. е създадена серията компютри IBM system 1370.
През 1971 г. Университетът на Илинойс проектира суперкомпютъра Илинойс IV.
In1971,thefirstmicroprocessor4004wassuccessfullydevelopedbyIntelCorporation.
През 1972 г. субстратите за микропроцесори започнаха да се произвеждат и продават масово.
През 1973 г. първата дискета беше успешно разработена от IBM. През 1975 г. излезе микрокомпютърът ATARI-8800.
In1977,KomodorCompanydeclaredthatthecompletecombinationmicrocomputerPET-2001wassuccessfullydeveloped.
През 1977 г. се ражда микрокомпютърът TRS-80.
През 1977 г. се ражда микрокомпютърът тип Apple-II.
През 1978 г. започнаха да се използват многомащабни интегрални схеми.
През 1978 г. балонната памет се използва в търговските компютри за втори път.
През 1979 г. Sharpan обяви производството на първия преносим микрокомпютър.
През 1982 г. микрокомпютрите започнаха да се разпространяват и голям брой от споменатите училища и домове.
През 1984 г. японската компютърна индустрия започна да разработва "компютър от пето поколение" --- компютър с изкуствен интелект