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.
Tietojen eri esitystapojen mukaan voi olla binääriaritmetiikka, desimaaliaritmetiikka, heksadesimalaritmetiikka, kiinteän pisteen kokonaisgeraritmetiikka, kiinteän pisteen desimalaritmetiikka, kelluva pistearitmetiikka, jne.
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.
Kaksi yleisesti käytettyä muotoa:kiinteäpistemuoto:kiinteän pisteen muoto sallii rajoitetun arvoalueen, mutta vaatii yksinkertaisen käsittelylaitteiston;kelluva pistemuoto: sallii suuren arvoalueen, mutta vaatii monimutkaisempaa käsittelylaitteistoa.
1.Kiinteän pisteen numeron esitys: Kiinteä piste tarkoittaa, että desimaalipisteen sijainti on kiinteä. Käsittelyn helpottamiseksi se on yleensä jaettu kiinteän pisteen puhtaisiin kokonaislukuihin ja puhtaisiin desimaalilukuihin.
2. Liukupisteen esitys: Koska esitettävät arvot vaihtelevat, mikä helpottaa säilyttämistä ja laskemista, näkyviin tulee liukulukuaritmetiikka.
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):Kun toiminnantulos on0,Zposition on"1";kun ei ole 0,on"0";
2) Negatiivinen lippubitti(N): Kun toiminnon tulos on negatiivinen, N-sijainti on"1"; kun se on positiivinen, se on "0";
3)Ylivuotolippubitti(V):Kun toiminto johtaa ylivuotoon, Vsijainti on"1"; jos ei ole ylivuotoa, se on "0";
4)Korjaa tai lainaa lippu(C):Lisäyksen yhteydessä,josoperaationtulos onkorkeinmerkittäväbitti(merkittyille numeroille,merkkibitti;etumerkillisille numeroille,arvonkorkein bitti),kunsiirto tapahtuu eteenpäin,Cposition on"1";joseiosteta,että"0,suorittaa". Merkittävää bittiä on lainattu eteenpäin (tällä kertaa ei ole siirretty eteenpäin), kohta on"1" ;kun ei ole lainaa(eli,suorita sukupolvea),Cposition on"0".Ylempien arvojen lisäksi tilarekisteripehmennetäänjoillakin lippubitteillä, jotka tallentavat tietoja keskeytyksistä ja koneentyöskentelytiloista (käyttäjätilasta tai ydintilasta)(sen olisi viivästynyt täsmälleen sama),jotta heijastaa ohjelmaa käynnissä olevan koneen työskentelytilaa,jonkin koneen palaa"ohjelman tilasana"tai"prosessorin tilasana"(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.Kelluvapistearitmeettisen yksikön yleinen rakenne
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:
ToimintoluokkarekisterisuhdelisäysAC+DR→AC-vähennysAC-DR→ACmultiplicationDR×MQ→AC–MQjakoAC÷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.Kelluva pistearitmetiikkayksikköCPU:ssa,PentiumCPUsisältää kelluvan pistearitmeettisen yksikön sirussa.Kelluvat pistearitmeettiset komponentit hyväksyvät putkilinjan suunnittelun.Ohjeiden suoritusprosessi on jaettu 8 putkeen. tching(EX),joka on suoritettu U,Vpipelinessa;viimeiset4 vaihettaovat suoritus1(X1),suoritus2( X2),tuloskirjoitetaan takaisinrekisteritiedostoon(WF),errorreport(ER),täytetty liukulukulaskimessa.Normaaleissa olosuhteissa kelluvan pisteen toimintaohje on valmisteltuVpipeline. rekistereistä ja 80 bitin leveästä sisäisestä tietojärjestelmästä. Tämän vuoksi kelluva pisteyksikkö voi tukea liukulukunumeroita yhdessä ja kaksinkertaisen tarkkuuden muodossa IEEE754-standardissa. ,käytetään myös 80-bittistä liukulukua, jota kutsutaan väliaikaiseksi reaaliluvuksi. Liukun pisteen noutamiseen, yhteenlaskuun, kertomiseen ja muihin toimintoihin laitteisto käyttää ja toteuttaa uusia goritmeja, ja suoritusnopeus on yli 10-kertainen 80486:een verrattuna.
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.
Nykyaikaisten tietokoneiden kehityshistoria
Elektronisten putkitietokoneiden ensimmäinen sukupolvi (1946-1957)
February15,1946,ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)wasmadepublicinPhiladelphia.ENIACrepresentsamilestoneinthehistoryofcomputerdevelopment.Italsohasparallelcomputingcapabilitiesthroughrewiringprogrammingbetweendifferentparts.ENIACisjointlydevelopedbytheUSgovernmentandtheUniversityofPennsylvania.Ituses18,000tubes,70,000resistors,5millionsolderjoints,consumes160kilowattsofpower,andhasacalculationspeedof5,000operationspersecond.Thefirstgenerationofcomputersischaracterizedbyoperatinginstructionsthatareprogrammedforspecifictasks.Eachmachinehasitsowndifferentmachinelanguage,itsfunctionsarelimited,anditsspeedisslow.Anotherobviousfeatureistheuseofvacuumtubesandmagneticdrumstostoredata.
Nämä toisen sukupolven transistoritietokone (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.
Kolmannen sukupolven integroitu piiritietokone (1964-1972)
In1958,TexasInstrumentsengineerJackKilbyinventedtheintegratedcircuit(IC),combiningthreeelectroniccomponentsintoasmallOnasmallsiliconchip.Morecomponentsareintegratedonasinglesemiconductorchip,andcomputersbecomesmaller,consumelesspower,andarefaster.Thedevelopmentofthisperiodalsoincludedtheuseofoperatingsystems,whichenabledthecomputertorunmanydifferentprogramssimultaneouslyunderthecontrolandcoordinationofthecentralprogram.
Neljännen sukupolven suurikokoinen integroitu piiritietokone (vuodesta 1972 nykypäivään)
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.
ChronicleofChricles
Vuonna 1666,SamuelMorlandissa Yhdistyneessä kuningaskunnassa syntyi mekaaninen laskentakone, joka voi laskea lisä- ja vähennyslaskuja.
In1673,GottfriedLeibnizmadeasteppedcylindricalreelcountingmachinecalled"SteppedReckoner".ThiscalculatorcanmultiplyrepeatednumbersandautomaticallyAddittotheadder.
In1694,theGermanmathematician,GottfriedLeibniz,improvedPascaleneofPascaleandcreatedamachinethatcancalculatemultipliers.Itisstilloperatedbygearsanddials.
In1773,Philipp-Matthausmanufacturedandsoldasmallnumberofcomputingmachinesaccurateto12bits.
In1775,ThethirdEarlofStanhopeinventedamultiplicationcalculatorsimilartoLeibniz.
Vuonna 1786 J.H.Mueller suunnitteli eromoottorin, mutta onneksi rahoitusta ei tehty.
Vuonna 1801 Joseph-MarieJacquardin luomu käytti peräkkäisiä reikäkortteja kudontakuvion ohjaamiseen.
In1854,GeorgeBoolepublished"AnInvestigationoftheLawsofThought",whichisaboutsymbolsandlogicalreasons,whichlaterbecamethebasicconceptofcomputerdesign.
In1858,atelegraphlinecrossedtheAtlanticforthefirsttimeandprovidedseveraldaysofservice.
In1861,atelegraphlineacrossthecontinentconnectedtheAtlanticandPacificcoasts.
Vuonna 1876 Alexander Graham Bellin keksi puhelimen ja patentoitiin.
From1876to1878,BaronKelvinmanufacturedanovertoneanalyzerandtidepredictor.
Vuonna 1882 WilliamS.Burroughsquit this työpankkivirkailija ja keskittyi headderin keksimiseen.
In1889,HermanHollerith'selectricwatchmakingmachineperformedwellinthecompetitionandwasusedinthe1890census.HermanHollerithusestheconceptoftheJacquardloomforcalculations.Heusesacardtostoredataandtheninjectstheresultsintothemachinetocompile.Thismachineenabledthecensusresultsthatwouldhavetakentenyearstobeobtainedinjustsixweeks.
Vuonna 1893 keksittiin ensimmäinen neljän toiminnon laskin.
Vuonna 1895, GuglielmoMarconisentabroadcastsignal.
Vuonna 1896 Holleri perustiTabulatingMachineCompany(TabulatingMachineCompany).
Vuonna 1901 rei'itysavain ilmestyi, jaseuraavassa vuosikymmenessä tapahtuijokainenmuutos.
Vuonna 1904 JohnA.Fleming sai patentin tyhjiödiodeille, mikä loi perustan radioviestinnälle.
In1906,LeedeForedtaddedadiodewithathirdvalveinFelmingandcreatedathree-electrodevacuumtube.
Vuonna 1907 levymusiikkia tehtiin ensimmäinen virallinen radioasema NewYorkissa.
In1908,BritishscientistCampbellSwintondescribedtheelectronicscanningmethodandpredictedtheuseofcathoderaytubestomaketelevisions.
Vuonna 1911 Hollerithin kelloyritys yhdistettiin kahteen muuhun yritykseen, jotka muodostivat ComputerTabulating Recording Companyn (C-T-R), kellonvalmistus- ja äänitysyhtiön. Mutta vuonna 1924 se nimettiin uudelleen International BusinessMachine Corporationiksi (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.
Vuonna 1939 Zuse ja Schreyer loivat "V2" [kutsuttiin myöhemmin Z2:ksi]. Tämä kone käyttää Z1:n mekaanista tallennustilaa sekä uutta aritmeettista komponenttia RelayLogicilla. Mutta kun Zuse valmisti luonnoksen, suunnitelma keskeytettiin vuodeksi.
Vuonna 1939–1940 Schreyer valmisti 10-digitaalisen lisälaitteen tyhjiöputkella ja muistilla neonlampulla (neonvalo).
InJanuary1940,atBellLabs,SamuelWilliamsandStibitzcompletedamachinethatcancalculatecomplexnumbers,calledthe"ComplexNumberCalculator",whichwaslaterrenamedthe"CircuitBreaker"CountingmachinemodelI(ModelIRelayCalculator)".Itusestelephoneswitchpartsaslogiccomponents:145circuitbreakersand10barswitches.Thenumbersarerepresentedby"Plus3BCD".InSeptemberofthesameyear,theteletypeetypewasinstalledinamathconferenceandwasconnectedtoNewYorkbyNewHampshire.
Vuonna 1940 Zuse vihdoin valmisZ2.Se toimi paremmin kuin mutta ei ole luotettava.
Inthesummerof1941,AtanasoffandBerrycompletedacalculatordesignedtosolvethesystemofsimultaneouslinearequations(systemofsimultaneouslinearequations),whichwaslatercalled"ABC(Atanasoff-BerryComputer)".Thereare6050-bitmemoriesinstalledontworotatingdrumsintheformofcapacitors(capacitories),andtheclockspeedis60Hz.
Helmikuussa 1941 Zuse valmistui"V3"(myöhemmin Z3),joka oli ensimmäinen laskentakone, joka voitiin ohjelmoida toiminnassa.Se myös käyttää liukulukuoperaatioita,7-bittisellä eksponentilla,14-bittisellä mantissalla,jasign.Muisti voi tallentaa61400sanaa. aritmeettiset ja ohjauskomponentit sekä ohjelmointi, syöttö ja ulostulo ovat samat kuin Z1. Tammikuussa 1943 HowardH.Aiken täytti"ASCCMarkI"(AutomaticSequence-ControlledCalculatorMarkI) ,tunnetaan myös nimellä "HawardMarkI". Tämä kone on 51 jalkaa pitkä, painaa 5 tonnia ja koostuu 750 000 osista. Siinä on 72 akkua, jokaisessa on oma aritmetiikkayksikkönsä ja 23-numeroinen rekisteri.
Joulukuussa 1943 TommyFlowersandhiste sai valmiiksi ensimmäisen "Colossin".Siissä loogisina komponentteina käytettiin 2 400 tyhjiöputkea ja 5 paperinauhan lukulaitetta, jokainen voi työskennellä 5000 merkkiä sekunnissa.
In1943,undertheleadershipofJohnBrainered,ENIACbeganresearch.JohnMauchlyandJ.PresperEckertareresponsiblefortheimplementationofthisplan.
Ensimmäinen elektroninen digitaalinen integraalilaskin (ENIAC) rakennettiinYhdysvalloissa1946v.
Vuonna 1947 American Societyof Calculators (ACM) perustettiin.
In1947,BritaincompletedthefirststoragevacuumtubeO1948BellTelephoneCompanydevelopedintoasemiconductor.
Vuonna 1949 Iso-Britannia sai päätökseen "DelayedStorageElectronicAutomatic Calculator" (EDSAC) rakentamisen.
Vuonna 1950 termi "automaatio" oli ensisijainen autoteollisuudessa.
In1951,theMassachusettsInstituteofTechnologymadeamagneticcore
Vuonna 1952 syntyi ensimmäinen "tallennettu ohjelmalaskin".
Vuonna 1952 ensimmäinen suurikokoinen tietokonejärjestelmäIBM701 ilmoitti rakentamisensa valmistuneeksi.
Vuonna 1952 keksittiin ensimmäinen viittomakielen käännöskone.
In1954,thefirstsemiconductorcomputerwassuccessfullydevelopedbyBellTelephoneCompany.
Vuonna 1954 syntyi ensimmäinen yleiskäyttöinen tietoprosessoriIBM650.
Vuonna 1955 rakennettiin ensimmäinen suuren mittakaavan tietokoneIBM705, jossa käytettiin magneettista ydintä.
Vuonna 1956 IBM lanseerasi tieteellinen704-tietokoneen.Vuonna 1957 ohjelmointikieliFORTRANcameout.
In1959,thefirstsmallscientificcalculatorIBM620wassuccessfullydeveloped.
Vuonna 1960 tietojenkäsittelyjärjestelmä IBM1401 kehitettiin onnistuneesti.
Vuonna 1961 ohjelmointikieliCOBOL tuli ulos.
In1961,thefirstsub-systemcomputerwasdesignedandcompletedbytheMassachusettsInstituteofTechnology.
Vuonna 1963 BASICkieli ilmestyi.
Vuonna 1964 valmistettiin kolmannen sukupolven tietokoneIBM360-sarja.
Vuonna 1965 American Digital Equipment Corporation lanseerasi ensimmäisen minitietokoneen PDP-8.
Vuonna 1969 IBM kehitti onnistuneesti90-sarakkeen korttikoneen ja järjestelmän - 3 tietokonejärjestelmää.
Vuonna 1970 valmistettiin IBMsystem1370-tietokonesarja.
Vuonna 1971 Illinoisin yliopisto suunnitteli IllinoisIV:n supertietokoneen.
In1971,thefirstmicroprocessor4004wassuccessfullydevelopedbyIntelCorporation.
Vuonna 1972 mikroprosessorisubstraatteja alettiin tuottaa ja myydä.
Vuonna 1973 IBM kehitti onnistuneesti ensimmäisen floppylevyn.Vuonna 1975 ATARI-8800microcomputer tuli ulos.
In1977,KomodorCompanydeclaredthatthecompletecombinationmicrocomputerPET-2001wassuccessfullydeveloped.
Vuonna 1977 TRS-80-mikrotietokone syntyi.
Vuonna 1977 Apple-II-tyyppinen mikrotietokone syntyi.
Vuonna 1978 alettiin käyttää erittäin suuria integroituja piirejä.
Vuonna 1978 kuplamuistia käytettiin kaupallisissa tietokoneissa toisen kerran.
Vuonna 1979 Sharpan ilmoitti ensimmäisen kannettavan mikrotietokoneen tuotannosta.
Vuonna 1982 mikrotietokoneet alkoivat yleistyä, ja suuri määrä mainittuja kouluja ja koteja.
Vuonna 1984 japanilainen tietokoneteollisuus alkoi kehittää "viidennen sukupolven tietokonetta" ---tietokonetta, jossa on tekoäly