计算机组成原理·定点加减法与先行进位

本文主要是介绍计算机组成原理·定点加减法与先行进位，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

重点理解一下加减法的电路实现，先行进位的原理，以及时间延迟分析。挑重点记录一下我的理解。

定点加减法的运算

运算原理

  在计算机内，定点数都是以补码的形式进行运算的。两个数 $x,y$ 的加减法满足下面的规则：
$$\{\begin{array}{l}[x+y{]}_{补}=[x{]}_{补}+[y{]}_{补}\\ [x-y{]}_{补}=[x{]}_{补}-[y{]}_{补}=[x{]}_{补}+[-y{]}_{补}\end{array}\text{\hspace{1em}(1)}$$

溢出检测

  有符号数溢出的检测有 $3$ 种方法。最简单的就是看加数 $x,y$ 和和数 $s$ 的符号位，当 $x,y$ 同号且与 $s$ 异号就说明溢出了，简单来说就是负负得正、正正得负算溢出。

另外还有 $2$ 种方法。

方法二：比较符号位进位与最高位进位

   用 $C_f$ 表示符号位进位，$C_n$ 表示最高位进位，则溢出标志：
$$OF=C_f\oplus C_n\text{\hspace{1em}(2)}$$

见下面的例子：

  下面说明一下这个式 $(2)$ 的正确性：
☞ 当两个数都是正数的时候，符号位的进位肯定是 $C_f=0$。此时当且仅当最高位不产生进位，即 $C_n=0$，和数的符号位为 $0$，相加的结果是一个正数，即不会溢出。此时不溢出当且仅当 $C_f=C_n=0$。
☞ 当两个数都是负数的时候，符号位的进位肯定是 $C_f=1$。此时当且仅当最高位产生进位，即 $C_n=1$，和数的符号位为 $1$，相加的结果是一个负数，即不会溢出。此时不溢出当且仅当 $C_f=C_n=1$。
☞ 两个数一正一负，这种情况肯定是不会溢出的。一正一负说明符号位相加刚好是 $1$，这个时候看最高位：如果最高位有进位 $C_n=1$，那么符号位的部分和 $1$ 加上最高位进位来的 $1$，导致符号位也产生进位 $C_f=1$；如果最高位没有进位 $C_n=0$，那么符号位就确定是 $1$ 且没有进位 $C_f=0$。此时 $C_f\oplus C_n$ 恒为 $0$。

方法三：使用双符号位

  在原本的符号位左边再增加一个新的符号位，构成双符号位。这种方法只适用于手动运算；计算机比人抽象、聪明，所以不需要这种东西。

  这种方法其实和方法二是一样的，正确性的说明也可以分都是正数、都是负数、一正一负三种情况来讨论。

电路实现

一位全加器

  计算机内的加法，靠的是一位全加器这个基本单元。
  一位全加器输入两个加数 $X_i,Y_i$，来自低位的进位 $C_i$，输出进位 $C_{i+1}$ 与和数 $S_i$。这些都是 1 bit 的。其中 $S_i$：
$$S_i=X_i\oplus Y_i\oplus C_i\text{\hspace{1em}(3)}$$

  $C_{i+1}$ 可以由下面两种方式得到：
$$C_{i+1}=X_i{Y}_i+(X_i\oplus Y_i)C_i\text{\hspace{1em}(4)}$$$$C_{i+1}=X_i{Y}_i+(X_i+Y_i)C_i\text{\hspace{1em}(5)}$$

  可以看到 $(4)$ 复用了 $(3)$ 中 $X_i\oplus Y_i$ 的结果，所以实际实现中 $(4)$ 比 $(5)$ 需要的门电路更少，这意味着它的硬件开销更小，故而采用 $(4)$ 去电路中实现 $C_{i+1}$ 的计算。

串行加法器

串行加法器原理与溢出分析

  将 $n$ 个一位加法器串联，可以生成 $n$ 位串行加法器。下面的图中，$Sub=1$ 代表进行减法 $S=X-Y$，$Sub=0$ 代表进行加法 $S=X+Y$。
  需要注意的是，加法器不区分有符号数和无符号数。根据输入进来的数据，加法器按照有符号数、无符号数的解释分别设立溢出标志（有符号溢出、无符号溢出），由程序的编写者根据实际情况选择使用哪个标志。

  图中的 $overflow$ 是有符号溢出标志，该电路的实现用到了前文溢出检测方法二。该加法电路还需要设置一个无符号溢出标志，这个溢出标志是 $Sub\oplus C_n$。下面分加法、减法两种情况说明这个溢出标志的正确性。
  对于加法的情况，$Sub=0$。有符号加法溢出，那就是符号位产生了进位 $C_n=1$，所以加法时的溢出标志是 $C_n$。
  对于减法的情况，稍微麻烦一些。此时 $Sub=1$，执行的计算是 $S=X-Y$，送入加法器的是 $X$ 和 $Y^{\prime }$（$Y^{\prime }=[-Y{]}_{补}$）。无符号减法溢出，就是被减数小于减数，得到的差是个负数，不能用无符号数表示，自然就溢出了。也就是说溢出的条件是 $X<Y$。显然对于 $n$ 位加法器来说，有 $Y^{\prime }+Y=2^n$，因此溢出条件也可以写作 $X<2^n-Y^{\prime }$，也即 $X+Y^{\prime }<2^n$。这时只有加法器的符号位不产生进位，才能说减法操作没有溢出。所以减法时的溢出标志是 $\overline{C_n}$。

串行加法器延迟分析

  任何一个门电路都有时间延迟。在后文的讨论中，认为与门、或门、非门的延迟均为 $T$，异或门的延迟为 $3T$。因为异或门可以看作是两个非门、两个与门、两个或门串接形成的。

  上图中，所有的 $X,Y$ 信号以及 $C_0$ 信号都是在 $0$ 时刻输入的，数据线上的时间代表其中数据达到稳定状态的最短时间。${FA}_0$ 的时间延迟是很好分析的，通过图 4（右）就能很好地理解。关键是后面的全加器，在进位信号 $C_i$ 进来后，只需要 $2T$ 时间（而不是 $5T$）就可以形成 $C_{i+1}$，只需要 $3T$ 时间（而不是 $6T$）就可以形成 $S_i$。
  原因是，对于 ${FA}_0$ 之后的全加器，它们的 $C_i$ 信号到来时，$X_i\oplus Y_i$ 和 $X_i{Y}_i$ 信号都已经生成好了。这一点是 ${FA}_0$ 所不具备的，当 $C_0$ 信号到来的时候，$X_0\oplus Y_0$ 和 $X_0{Y}_0$ 都还在形成的过程中。

  图 6 是对 ${FA}_0$ 之后的加法器的延时分析。蓝色信号早在 $t$ 时刻之前就已经准备就绪，在 $t$ 时刻 $C_i$ 信号进入，红色信号标明了各数据线上最终形成稳定数据的时间。

并行加法器

  串行加法器太慢了。当位数 $n$ 多起来的时候，时间开销会以 $O(n)$ 的速度增长。分析一下上面的电路，主要是因为后一个加法器依赖于前一个加法器的进位输出，那我们只要提前把这些进位都算出来就好了。
  回顾式 $(3)(4)$，我们令进位生成函数 $G_i=X_i{Y}_i$，进位传递函数 $P_i=X_i\oplus Y_i$。那么式 $(3)(4)$ 可分别写为：
$$S_i=P_i\oplus C_i\text{\hspace{1em}(6)}$$$$C_{i+1}=G_i+P_i{C}_i\text{\hspace{1em}(7)}$$

  利用式 $(7)$ 进行迭代，就可以用各个 $G,P$ 和 $C_0$ 来表示 $C_i(i>0)$：
$$C_n=G_{n-1}＋P_{n-1}{G}_{n-2}＋P_{n-1}{P}_{n-2}{G}_{n-3}＋\cdots ＋P_{n-1}{P}_{n-2}\cdots P_1{P}_0{C}_0\text{\hspace{1em}(8)}$$

下面用一张图来形象的描述进位生成函数和传递函数，$C_1=G_0+P_0{C}_0$， 只有 $P_0$ 阀门打开时，$C_0$ 装的水才可能流出到 $C_1$， 所以 $P_0$ 称为传递函数；而 $G_0$ 阀门一打开，水就流出到 $C_1$，所以 $G_0$ 称为生成函数。
将多个阀门串接在一起可以得到 $C_2$，$C_4$ 的逻辑，以 $C_4$ 为例，$C_0$ 的水要流到 $C_4$，必须同时打开所有 $P$，也就是这里的 $P_3,P_2,P_1,P_0,C_0$。

  以 $4$ 位先行进位加法器为例，构建并行加法器主要有三大部件。

生成传递函数电路：与门、异或门阵列

  按照我们对 $G$ 和 $P$ 的定义，可以构造下面的电路。这个电路的时间延迟是 $3T$。

先行进位电路

  我们已经得到了所有的 $G,P$。根据式 $(8)$ 可以构建下面的电路。 这个电路有 $2T$ 的时间延迟。

求和电路

  我们已经得到了所有的 $P$ 和 $C$。根据式 $(6)$，可以之间使用 $4$ 个异或门获取 $S_0$~$S_4$。由于异或门的时间延迟是 $3T$，这一部件的时间延迟也就是 $3T$。

---

  所以，总的电路图如下所示。生成最终进位信号 $C_4$ 的时间是 $5T$，而生成最终和数 $S$ 的时间是 $8T$。

16 位加法器

串行构建

  前面已经得到了 $4$ 位并行加法器。可以将这样的加法器进行 $4$ 个的串联，从而得到 $16$ 位加法器。

  从图 10 你能看到，这个加法器无非就是 $4$ 位一组、组间串行。而 $4$ 位串行加法器也可以看成是 $1$ 位一组、组间串行。因此它的延迟分析和 $4$ 位串行加法器差不多——当 $C_4$ 产生的时候，$C_8$ 会在 $2T$（而不是 $5T$）后产生，$S_4$~$S_7$ 会在 $5T$ （而不是 $8T$） 后产生。

并行构建

  图 10 中的加法器，$C_{4i+4}$ 的生成依赖 $C_{4i}$。仿照 $4$ 位并行加法器的构建思路，图 10 中的 $4$ 个快速加法器也可以采取组间并行的方式。也就是通过 $C_0$ 直接得到 $C_4,C_8,C_{12},C_{16}$。
  由 $(7)$ 我们知道 $C_1=G_0+P_0{C}_0$。我们是不是也能弄出一个 $C_4=G^{\ast }+P^{\ast }{C}_0$？

  当然可以，如图 11 所示。此时先行进位电路需要生成两个新的信号 $G^{\ast },P^{\ast }$，电路由图 9 改成图 12。

  此时的电路图及延时分析如下图所示。

64 位加法器

  在 16 位的基础上，还可以组间并行，有点套娃的意思了。电路图如下所示：

  比对一下图 13 和图 11，可以发现它只多了向二级先行进位电路（图中蓝色的 CLA 74182），多出了 $4T$ 的时间。也就是说，位数 $n$ 每扩大 $4$ 倍，时间延迟增加 $4T$。对于 $n$ 位加法器而言，串行加法器的时间开销是 $O(n)$，并行加法器的时间开销只需要 $O(\log n)$。

这篇关于计算机组成原理·定点加减法与先行进位的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

---