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.
Podle různých metod reprezentace dat může existovat binární aritmetika, desítková aritmetika, hexadecimální aritmetika, celočíselná aritmetika s pevnou desetinnou čárkou, desítková aritmetika s pevnou řádovou čárkou, aritmetika s plovoucí desetinnou čárkou atd.
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.
Dva běžně používané formáty: formát s pevnou čárkou: formát s pevnou čárkou poskytuje omezený rozsah hodnot, ale vyžaduje jednoduchý hardware pro zpracování; formát s pohyblivou řádovou čárkou: umožňuje velký rozsah hodnot, ale vyžaduje složitější hardware pro zpracování.
1.Znázornění čísel s pevnou desetinnou čárkou:Pevná desetinná čárka znamená, že pozice desetinné čárky je pevná. Aby se usnadnilo zpracování, je obecně rozdělena na čistá celá čísla a čistá desetinná místa.
2.Reprezentace čísel s plovoucí desetinnou čárkou:Protože rozsah hodnot, které mají být uvedeny, je velmi odlišný, což přináší velké pohodlí při ukládání a výpočtu, objeví se aritmetika s plovoucí desetinnou čárkou.
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)Nulový prodleva(Z):Když je výsledek operace0,Zpozice je"1";pokud není0,je nastavena na"0";
2) Negativní příznak (N): Když je výsledek operace záporný, pozice N je "1"; když je kladná, je nastavena na "0";
3)Příznak přetečení(V):Když operace přeteče,Vpoziceje"1";pokud není přetečení,jenastaveno"0";
4)Carryorborrowflag(C):Při přidávání, pokud je výsledkem operace nejvyšší Významný bit (pro čísla se znaménkem, bit se znaménkem; pro čísla bez znaménka, nejvyšší bit hodnoty), když dojde k přenosu vpřed, je Umístění"1";pokud není nastaveno "nepřenést" antbithas půjčuje vpřed (tentokrát není přenos vpřed), pozice je "1" ;když nedojde k výpůjčce (tj. dochází ke generování), je pozice "0". Kromě výše uvedených stavů je registr stavu opatřen některými příznakovými bity, které ukládají informace o přerušeních a provozních stavech stroje (uživatelský stav nebo základní stav) (upozorňuje na to, že je třeba uvést a uvést příznaky, které jsou v této souhře uvedeny tak, aby včas odrážel pracovní stav stroje při spouštění programu, takže některé stroje vyvolávají "slovo stavu programu" nebo "slovo stavu procesoru" (slovo stavu procesoru, 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.Obecná struktura aritmetických jednotek s pohyblivým bodem
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:
Kategorie provozuregistracevztahpřidáníAC+DR→ACodčítáníAC-DR→ACnásobeníDR×MQ→AC－MQdivizeAC÷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.Aritmetika s plovoucí desetinnou čárkou na CPU,CPU Pentium zahrnuje aritmetiku s plovoucí desetinnou čárkou v čipu.Aritmetické součásti s plovoucí desetinnou čárkou pro návrh potrubí.Proces provádění instrukcí je rozdělen do 8 potrubí.První 4 fáze jsou přednačtením (DF) a generováním instrukceD. pletení vU,Vpotrubí;poslední4etapy jsouprovedení1(X1),provedení2( X2),výsledek se přepíše zpět do souboru registru (WF),chybové hlášení (ER),vyplní se v kalkulátoru s plovoucí desetinnou čárkou.Za normálních okolností je instrukce pro operaci s plovoucím bodem dokončenaVpotrubím.Jednotka s plovoucím bodem má speciální žebříky,násobiče a rozdělovače pro 8sběrnici s plovoucími daty,a 0 je složeno 80 registračních sběrnic a 0 -bitwide.Proto může jednotka s plovoucí desetinnou čárkou podporovat čísla s plovoucí desetinnou čárkou ve formátu s jednoduchou přesností a dvojitou přesností podle standardu IEEE754. ,používá se také 80bitové číslo s plovoucí desetinnou čárkou, nazývané dočasné reálné číslo. Pro načítání s plovoucí desetinnou čárkou, sčítání, násobení a další operace se používají a implementují nové algoritmy hardwarem a rychlost provádění je více než 10krát oproti 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.
Historie vývoje moderních počítačů
První generace elektronických trubkových počítačů (1946–1957)
February15,1946,ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)wasmadepublicinPhiladelphia.ENIACrepresentsamilestoneinthehistoryofcomputerdevelopment.Italsohasparallelcomputingcapabilitiesthroughrewiringprogrammingbetweendifferentparts.ENIACisjointlydevelopedbytheUSgovernmentandtheUniversityofPennsylvania.Ituses18,000tubes,70,000resistors,5millionsolderjoints,consumes160kilowattsofpower,andhasacalculationspeedof5,000operationspersecond.Thefirstgenerationofcomputersischaracterizedbyoperatinginstructionsthatareprogrammedforspecifictasks.Eachmachinehasitsowndifferentmachinelanguage,itsfunctionsarelimited,anditsspeedisslow.Anotherobviousfeatureistheuseofvacuumtubesandmagneticdrumstostoredata.
Transistorový počítač druhé generace (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.
Integrovaný obvodový počítač třetí generace (1964–1972)
In1958,TexasInstrumentsengineerJackKilbyinventedtheintegratedcircuit(IC),combiningthreeelectroniccomponentsintoasmallOnasmallsiliconchip.Morecomponentsareintegratedonasinglesemiconductorchip,andcomputersbecomesmaller,consumelesspower,andarefaster.Thedevelopmentofthisperiodalsoincludedtheuseofoperatingsystems,whichenabledthecomputertorunmanydifferentprogramssimultaneouslyunderthecontrolandcoordinationofthecentralprogram.
Velký integrovaný obvodový počítač čtvrté generace (1972-současnost)
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.
Kronika kronik
V roce 1666 vynalezl Samuel Morland ve Spojeném Království mechanický počítací stroj, který dokáže počítat sčítání a odčítání.
In1673,GottfriedLeibnizmadeasteppedcylindricalreelcountingmachinecalled"SteppedReckoner".ThiscalculatorcanmultiplyrepeatednumbersandautomaticallyAddittotheadder.
In1694,theGermanmathematician,GottfriedLeibniz,improvedPascaleneofPascaleandcreatedamachinethatcancalculatemultipliers.Itisstilloperatedbygearsanddials.
In1773,Philipp-Matthausmanufacturedandsoldasmallnumberofcomputingmachinesaccurateto12bits.
In1775,ThethirdEarlofStanhopeinventedamultiplicationcalculatorsimilartoLeibniz.
V roce 1786 navrhl J.H.Muellerdiferenciální motor, ale na jeho vytvoření bohužel nebylo žádné financování.
V roce 1801 použil Joseph-Marie Jacquard sekvenční děrné štítky, aby řídil vzor tkaní.
In1854,GeorgeBoolepublished"AnInvestigationoftheLawsofThought",whichisaboutsymbolsandlogicalreasons,whichlaterbecamethebasicconceptofcomputerdesign.
In1858,atelegraphlinecrossedtheAtlanticforthefirsttimeandprovidedseveraldaysofservice.
In1861,atelegraphlineacrossthecontinentconnectedtheAtlanticandPacificcoasts.
V roce 1876 vynalezl Alexander Graham Bellin telefon a získal patent.
From1876to1878,BaronKelvinmanufacturedanovertoneanalyzerandtidepredictor.
V roce 1882 WilliamS.Burrough zlikvidoval práci bankovního úředníka a soustředil se na vynález hlavy.
In1889,HermanHollerith'selectricwatchmakingmachineperformedwellinthecompetitionandwasusedinthe1890census.HermanHollerithusestheconceptoftheJacquardloomforcalculations.Heusesacardtostoredataandtheninjectstheresultsintothemachinetocompile.Thismachineenabledthecensusresultsthatwouldhavetakentenyearstobeobtainedinjustsixweeks.
V roce 1893 byla vynalezena první čtyřfunkční kalkulačka.
V roce 1895 vysílá GuglielmoMarcon signál.
V roce 1896 Holler založil společnost TabulatingMachineCompany (TabulatingMachineCompany).
V roce 1901 se objevil děrovací klíč a v následujícím půlstoletí došlo k několika změnám.
V roce 1904 získal JohnA.Fleming hepatent pro vakuové diody, čímž byl založen základ pro radiokomunikaci.
In1906,LeedeForedtaddedadiodewithathirdvalveinFelmingandcreatedathree-electrodevacuumtube.
V roce 1907 vznikla první oficiální rozhlasová stanice v New Yorku.
In1908,BritishscientistCampbellSwintondescribedtheelectronicscanningmethodandpredictedtheuseofcathoderaytubestomaketelevisions.
V roce 1911 se hodinářská společnost Hollerith sloučila se dvěma dalšími společnostmi a vznikla společnost Computer Tabulating Recording Company (C-T-R), hodinářská a nahrávací společnost. Ale v roce 1924 byla přejmenována na InternationalBusinessMachineCorporation (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.
V roce 1939 vytvořili ZuseandSchreyer "V2"[později nazvaný Z2]. Tento stroj používá mechanické úložiště Z1 plus varovné metické komponenty pomocí RelayLogic.. Ale když Zuse dokončil návrh, byl plán na rok přerušen.
V letech 1939-40 dokončil Schreyer 10místnou sčítačku s vakuovou trubicí a pamětí s jednou žárovkou (neonové světlo).
InJanuary1940,atBellLabs,SamuelWilliamsandStibitzcompletedamachinethatcancalculatecomplexnumbers,calledthe"ComplexNumberCalculator",whichwaslaterrenamedthe"CircuitBreaker"CountingmachinemodelI(ModelIRelayCalculator)".Itusestelephoneswitchpartsaslogiccomponents:145circuitbreakersand10barswitches.Thenumbersarerepresentedby"Plus3BCD".InSeptemberofthesameyear,theteletypeetypewasinstalledinamathconferenceandwasconnectedtoNewYorkbyNewHampshire.
V roce 1940 Zuse konečně dokončil Z2. Fungovalo to lépe, ale ne příliš spolehlivě.
Inthesummerof1941,AtanasoffandBerrycompletedacalculatordesignedtosolvethesystemofsimultaneouslinearequations(systemofsimultaneouslinearequations),whichwaslatercalled"ABC(Atanasoff-BerryComputer)".Thereare6050-bitmemoriesinstalledontworotatingdrumsintheformofcapacitors(capacitories),andtheclockspeedis60Hz.
V únoru 1941 byl Z dokončen "V3" (později nazývaný Z3), což byl první počítací stroj, který bylo možné naprogramovat v operaci. Také se používají operace s plovoucí desetinnou čárkou, se 7bitovým exponentem, 14bitovým mantisou a znakem. programování,vstup a výstup jsou stejné jakoZ1.V lednu 1943 HowardH.Aiken dokončil"ASCCMarkI"(AutomaticSequence-ControlledCalculatorMarkI) ,také známý jako "HawardMarkI". Tento stroj je 51 stop dlouhý, váží 5 tun a je vyroben ze 750 000 dílů. Má 72 akumulátorů, každý s vlastní aritmetickou jednotkou a 23místným registrem.
V prosinci 1943 TommyFlowers a jeho tým dokončili první "Colossus". Měl 2 400 vakuových trubic použitých jako logické součásti a 5 čteček papírových pásek (čteček), z nichž každá může pracovat 5 000 znaků za sekundu.
In1943,undertheleadershipofJohnBrainered,ENIACbeganresearch.JohnMauchlyandJ.PresperEckertareresponsiblefortheimplementationofthisplan.
První elektronická digitální integrální kalkulačka (ENIAC) byla vyrobena ve Spojených státech v roce 1946v.
V roce 1947 byla založena Americká společnost kalkulaček (ACM).
In1947,BritaincompletedthefirststoragevacuumtubeO1948BellTelephoneCompanydevelopedintoasemiconductor.
V roce 1949 dokončila Británie stavbu „Elektronické automatické kalkulačky se zpožděním úložiště“ (EDSAC)
V roce 1950 byl v automobilovém průmyslu poprvé použit termín „automatizace“.
In1951,theMassachusettsInstituteofTechnologymadeamagneticcore
V roce 1952 se zrodil první „kalkulátor uložených programů“.
V roce 1952 oznámil první velký počítačový systém IBM701 dokončení stavby.
V roce 1952 byl vynalezen stroj na překlad prvního znakového jazyka.
In1954,thefirstsemiconductorcomputerwassuccessfullydevelopedbyBellTelephoneCompany.
V roce 1954 se zrodil první univerzální datový procesor IBM650.
V roce 1955 byl sestrojen první velký počítač IBM705 využívající magnetické jádro.
V roce 1956 IBM uvedla na trh vědecký 704počítač. V roce 1957 vyšel programovací jazyk FORTRAN.
In1959,thefirstsmallscientificcalculatorIBM620wassuccessfullydeveloped.
V roce 1960 byl úspěšně vyvinutý systém zpracování dat IBM1401.
V roce 1961 vyšel programovací jazyk COBOL.
In1961,thefirstsub-systemcomputerwasdesignedandcompletedbytheMassachusettsInstituteofTechnology.
V roce 1963 vyšel ZÁKLADNÍ jazyk.
V roce 1964 byla vyrobena třetí generace počítače řady IBM360.
V roce 1965 uvedla společnost AmericanDigitalEquipment Corporation na trh první minipočítač PDP-8.
V roce 1969 IBM úspěšně vyvinula 90-sloupový kartový stroj a systém--3počítačový systém.
V roce 1970 byla vyrobena počítačová řada IBMsystem1370.
V roce 1971 navrhla University of Illinosuperpočítač Illinois IV.
In1971,thefirstmicroprocessor4004wassuccessfullydevelopedbyIntelCorporation.
V roce 1972 se mikroprocesorové substráty začaly hromadně vyrábět a prodávat.
V roce 1973 byl IBM úspěšně vyvinut první disketový disk. V roce 1975 vyšel mikropočítač ATARI-8800.
In1977,KomodorCompanydeclaredthatthecompletecombinationmicrocomputerPET-2001wassuccessfullydeveloped.
V roce 1977 se zrodil mikropočítač TRS-80.
V roce 1977 se zrodil mikropočítač typu Apple-II.
V roce 1978 se začaly používat velmi rozsáhlé integrované obvody.
V roce 1978 byla bublinková paměť použita v komerčních počítačích podruhé.
V roce 1979 Sharpan oznámil výrobu prvního přenosného mikropočítače.
V roce 1982 se začaly šířit mikropočítače a velký počet řízených škol a domů.
V roce 1984 začal japonský počítačový průmysl vyvíjet „počítač páté generace“ – počítač s umělou inteligencí