简单说明ALU的设计过程和原理性电路组成

简要说 说的明吗... 我试试啊

一般ALU都有2个数据入口，以及操作类型输入口。一个数据出口，以及进位，大于，等于，小于，溢出等逻辑输出。

比如32位的ALU，2个数据入口和1个数据出口都是32位。至于操作类型用几位，取决于你的ALU都干什么操作以及内部译码的方式，位宽对于操作类型的编码来说，都有冗余的，可以方便扩展。

`define DATA_WIDTH 32

module ALU(

input CLK,

input [0:`DATA_WIDTH-1] BusR, //操作数1

input [0:`DATA_WIDTH-1] BusS, //操作数2

output [0:`DATA_WIDTH-1] BusY, //结果

input [6:0] Op_type, // 操作类型，加减乘除，自增/减，ABS之类的。

output [0:3] CGEL, // Carry Great Equal Less

output overflow, // 溢出位，一般连到内部中断锁存器

output RDYN

);

上面这个是verilog写的异步的ALU模块接口。至于内部实现嘛，你要是只仿真，行为级的建模就行啦(直接用+，-，×，/)，查查verilog的书很多写ALU的。否则的话，就要查组成原理的书啦。4位加法器总懂的吧，扩展扩展就差不多了。不要并行进位，不要桶形移位的话，基本上该有的操作，都可以用最基本的加法器完成，只是CLK数需要的多一些。内部是需要一些暂存器储存中间结果的。

所谓异步ALU，你可以理解成是不同OpType执行的CLK数不同，RDYN有效后，表明BusY线和CGEL有效。外部模块就可以像读异步内存一样，读ALU结果了。

至于电路，这里怎么画呀？只是原理性的话，你把ALU画成像央视裤衩楼那样的形状，再写上ALU三个字母，别人就认识了 哈哈

另外如果你的ALU还有处理浮点的话，或许位宽就要double一下了，-_-|||

CPU是由控制器和ALU组成的

64位的CPU，相比较32位的CPU来说，64位CPU最为明显的变化就是增加了8个64位的通用寄存器，内存寻址能力提高到64位，以及寄存器和指令指针升级到64位等。?

所谓32位处理器就是一次只能处理32位，也就是4个字节的数据，而64位处理器一次就能处理64位，即8个字节的数据。

如果我们将总长128位的指令分别按照16位、32位、64位为单位进行编辑的话：旧的16位处理器，比如 Intel 80286 CPU需要8个指令，32位的处理器需要4个指令，而64位处理器则只要两个指令，显然，在工作频率相同的情况下，64位处理器的处理速度会比16位、 32位的更快。

而且除了运算能力之外，与32位处理器相比，64位处理器的优势还体现在系统对内存的控制上。由于地址使用的是特殊的整数，而64位处理器的一个ALU（算术逻辑运算器）和寄存器可以处理更大的整数，也就是更大的地址。传统32位处理器的寻址空间最大为4GB，

使得很多需要大容量内存的数据处理程序在这时都会显得捉襟见肘，形成了运行效率的瓶颈。而64位的处理器在理论上则可以达到1800万个TB，1TB等于1024GB，1GB等于 1024MB，所以64位的处理器能够彻底解决32位计算系统所遇到的瓶颈现象，

速度快人一等，对于那些要求多处理器可扩展性、更大的可寻址内存、视频/ 音频/三维处理或较高计算准确性的应用程序而言，AMD 64处理器可提供卓越的性能。?

当然64位的CPU要发威强的性能还要有相应的64位软件!而现在的软件都以32位CPU而编程的.所以.现在64位比32位CPU没有多大的性能提高啊!

控制器是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、程序计数器PC(ProgramCounter)和操作控制器0C(OperationController)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。

指令寄存器

指令寄存器：用以保存当前执行或即将执行的指令的一种寄存器。指令内包含有确定操作类型的操作码和指出操作数来源或去向的地址。指令长度随不同计算机而异，指令寄存器的长度也随之而异。计算机的所有操作都是通过分析存放在指令寄存器中的指令后再执行的。指令寄存器的输人端接收来自存储器的指令，指令寄存器的输出端分为两部分。操作码部分送到译码电路进行分析，指出本指令该执行何种类型的操作;地址部分送到地址加法器生成有效地址后再送到存储器，作为取数或存数的地址。存储

控制器

器可以指主存、高速缓存或寄存器栈等用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器（DR）中，然后再传送至IR。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

程序计数器

程序计数器：指明程序中下一次要执行的指令地址的一种计数器，又称指令计数器。它兼有指令地址寄存器和计数器的功能。当一条指令执行完毕的时候，程序计数器作为指令地址寄存器，其内容必须已经改变成下一条指令的地址，从而使程序得以持续运行。为此可采取以下两种办法：

第一种办法是在指令中包含了下一条指令的地址。在指令执行过程中将这个地址送人指令地址寄存器即可达到程序持续运行的目的。这个方法适用于早期以磁鼓、延迟线等串行装置作为主存储器的计算机。根据本条指令的执行时间恰当地决定下一条指令的地址就可以缩短读取下一条指令的等待时间，从而收到提高程序运行速度的效果。

第二种办法是顺序执行指令。一个程序由若干个程序段组成，每个程序段的指令可以设计成顺序地存放在存储器之中，所以只要指令地址寄存器兼有计数功能，在执行指令的过程中进行计数，自动加一个增量，就可以形成下一条指令的地址

控制器

，从而达到顺序执行指令的目的。这个办法适用于以随机存储器作为主存储器的计算机。当程序的运行需要从一个程序段转向另一个程序段时，可以利用转移指令来实现。转移指令中包含了即将转去的程序段入口指令的地址。执行转移指令时将这个地址送人程序计数器(此时只作为指令地址寄存器，不计数)作为下一条指令的地址，从而达到转移程序段的目的。子程序的调用、中断和陷阱的处理等都用类似的方法。在随机存取存储器普及以后，第二种办法的整体运行效果大大地优于第一种办法，因而顺序执行指令已经成为主流计算机普遍采用的办法，程序计数器就成为中央处理器不可或缺的一个控制部件

操作控制器

CPU内的每个功能部件都完成一定的特定功能。信息在各部件之间传送及数据的流动控制部件的实现。通常把许多数字部件之间传送信息的通路称为“数据通路”。信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传到哪个寄存器，都要加以控制。在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由称为“操作控制器”的部件来完成的。

操作控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。

工作原理

有两种由于设计方法不同因而结构也不同的控制器。微操作是指不可再分解的操作，进行微操作总是需要相应的控制信号(称为微操作控制信号或微操作命令)。一台数字计算机基本上可以划分为两大部分---控制部件和执行部件。控制器就是控制部件，而运算器、存储器、外围设备相对控制器来说就是执行部件。控制部件与执行部件的一种联系就是通过控制线。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常这种控制命令叫做微命令，而执行部件接受微命令后所执行的操作就叫做微操作。控制部件与执行部件之间的另一种联系就是反馈信息。执行部件通过反馈线向控制部件反映操作情况，以便使得控制部件根据执行部件的状态来下达新的微命令，这也叫做“状态测试”。微操作在执行部件中是组基本的操作。由于数据通路的结构关系，微操作可分为

控制器

相容性和相斥性两种。在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。一般的微指令格式由操作控制和顺序控制两部分构成。操作控制部分用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。其顺序控制部分用来决定产生下一个微指令的地址。事实上一条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的。这个微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是有微指令组成的，那么当执行当前的一条微指令的时候。必须指出后继微指令的地址，以便当前一条微指令执行完毕以后，取下一条微指令执行。

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