运算器结构与组织：独立结构、单口与双口RAM在ALU中的应用

"本文档涵盖了计算机组成原理中的CPU子系统，特别是运算器和控制器的组织结构，以及相关的运算方法。讨论了运算器的硬件组成，包括移位器、ALU、多路选择器、寄存器等，并对比了不同类型的存储器结构，如单口、双口RAM在运算器中的应用。同时，提到了位片式运算器的特点，它能实现更复杂的运算功能。此外，文档还涉及了运算方法，如补码加减法和定点加减运算的细节。" 在计算机组成原理中，独立结构是指运算器组织的一种方式，它可以使得运算器中的各个组件如寄存器、ALU等能够独立工作。小型存储器结构通常指的是通用寄存器组，它们在运算过程中存储中间数据。单口和双口RAM是两种不同的存储器类型，其中双口RAM可以同时读写，适用于需要同时提供两个操作数的场合，而单口RAM则只能顺序访问，因此可能需要使用锁存器来暂存操作数。 运算器的硬件组成包括了移位器、ALU、多路选择器和各种类型的寄存器。移位器用于数据的位移操作，ALU（算术逻辑单元）执行基本的算术和逻辑运算。多路选择器用于选择操作数来源，可以根据指令控制信号来决定将哪个寄存器的数据送入ALU。寄存器包括并行加法器、加法器输入选择器、全加器和进位链，它们共同参与数据的运算过程。 运算器的组织结构有两种常见形式：一种是带多路选择器的运算器，这种结构通过单向内部总线实现，允许R0到Rn寄存器独立工作，并同时向ALU提供两个操作数。另一种是带输入锁存器的运算器，它使用双向内部总线，通常用于单口RAM的情况，需要锁存器来暂存操作数。 位片式运算器是更复杂的一种结构，它利用双口RAM作为通用寄存器组，可以同时提供数据给ALU，且不需要额外的暂存操作数的设备。此外，位片式运算器还可以扩展ALU的功能，如增加乘法和除法运算，通过乘商寄存器来存储乘数、乘积或商。 运算方法部分，文档讨论了补码加减法，这是在定点计算中常见的运算方式，其中符号位参与运算。补码加法可以直接进行，而减法可以通过转换为加法的补码来实现。定点加减运算的基本关系式是(X+Y)补=X补+Y补和(X-Y)补=X补+(-Y)补，这些关系为实际的计算机运算提供了理论基础。 这篇文档深入探讨了CPU子系统的内部构造和运算机制，对于理解计算机如何执行指令和处理数据有着重要的作用。