Transcript パート07
コンピュータアーキテクチャ 第7回 1 演算回路（算術論理演算ユニットとシフタ） 算術論理演算ユニットの構成モジュール – 加算器 足し算をつかさどる組み合せ回路 減算器にも拡張可 フリップフロップ を付け加えることでカウンタを構成 – 論理演算器（AND, OR, XOR） – 論理加減算器（16 ビットの符号なし 2 進数の加減算） シフタ – シフト演算を実現する組合せ回路 今回の内容 ～以下の各要素と全体構成の例～ – – – – – 半加算器と全加算器： 1 ビットの加算 * 並列加算器： N ビットの加算 * 加減算器： ２の補数による負数の加算 * カウンタ： 書き換え機能つきカウンタ，ダウンカウンタ シフタ： 1 ビットシフタに限定 2 ハードウェアモデルにおける位置付け 書き換え機能付き ダウンカウンタ * 並列加減算器 * * 書き換え機能付きカウンタ 3 半加算器 (HA: Half Adder) 演算データ a, b （1 ビット）を入力 演算結果 f, c を出力 c : 桁上げ出力 * * 4 全加算器 (FA: Full Adder) 演算データ a, b, cin （1 ビット）を入力 演算結果 f, cout を出力 cin : 桁上げ入力， cout : 桁上げ出力 * * 5 論理演算の性質 6 演習問題 7.1 7 並列加算器(parallel adders) リップルキャリー方式： 下位ビットから上位ビットへ 順次桁上げを伝える方式 * 8 * * ルックアヘッドキャリー リップルキャリー方式 より高速 * リップルキャリー方式 よりハードウェア量大 * (look-ahead carry) 10 演習問題 7.2 11 減算をどうやって実現するか？ 4 ビットの例 A–B =7–5 = (0111)2 – (0101)2 = (0111)2 + (0101)2 の２の補数 = (0111)2 + (0101)2 の１の補数 + 1 A ・・・ Bの１の補数 ・・・ キャリー（桁上 り） ・・・ 1 0 1 1 0 1 1 1 0 * 1 1 1 1 +1 0 0 1 0 12 加減算器 (adder-subtractor) s0 : 制御入力 * * * s0 = 0, c0 = 0 のとき加算器， s0 = 1, c0 = 1 のとき減算器 13 4 ビット加減算器の真理値表 * 14 演習問題 7.3 前記の 4 ビット加減算器において，A 入力または B 入力をすべて 1 としたとき，どのような演算が おこなわれるか？それぞれ s0, c0 の組み合せごと に示せ．また，それらを確かめる具体的な数値例を 示せ． 15 カウンタ (counter) (1) (a) 4 ビット 2 進数に 1 を加える加算器 * 16 カウンタ (counter) (2) (b) 半加算器と基本ゲートによる置き換え * 17 カウンタ (counter) (3) (c) フリップフロップを追加してできた 4 ビットカウンタ インクリメンタ (incrementer) とも呼ばれる clock 信号がハイレベルに変わるごとに２進数 f3 f2 f1 f0 の値が 1 増加 * 18 演習問題 7.4 前述のように， 4 ビット 2 進数に 1 を加える加算器 を，半加算器と基本ゲートによって置き換えられる ことを示せ． 19 書き換え機能つきカウンタ * データ取り込み * sinc がハイレベルのときは カウンタ ，ローレベルのときは プログラムカウンタに使用される 20 書き換え機能つきダウンカウンタ sdcr がハイレベルで ダウンカウンタ*，ローレベルでは データ取り込み * 本講義ではスタックポインタに使用 21 4 ビット書き換え機能つきカウンタのタイムチャート例 演習問題 7.5 右の 4 ビット ダウンカウンタの タイムチャート例を 完成せよ． 23 算術論理演算ユニット (ALU: Arithmetic Logic Unit) COMET II の ALU構成例 * 算術論理演算ユニットの真理値表 演習問題 7.6 4 ビットの符号なし 2 進数の減算は，5 ビットの符号つき 2 進 数の減算として実行できる．これが実際には， 4 ビットの符号 つき 2 進数用加減算器で実行可能であることを示せ． シフタ (Shifter) データ幅 4 ビットの 1 ビットシフタ構成例 sari がハイレベルで算術シフト * sL がハイレベルで左シフト * データ幅 4 ビットの 1 ビットシフタの真理値表 シフト命令の実行概念 1ビットシフタ： 1 クロックで 1 ビットシフトする バレルシフタ(barrel shifter)： • 1 クロックで 任意の ビット数シフトする • ハードウェア量大 * * 算術左シフト命令実行例 演算回路の構成