微处理器设计/乘除单元

微处理器设计

乘除问题

乘法和除法运算比加法或减法运算复杂得多。这种额外的复杂性会导致更多的硬件、更复杂的硬件以及更长的处理时间。

在硬件中，乘法和除法是通过一系列连续的加法和算术移位来执行的。出于这个原因，我们必须拥有高效的加法器和移位器。

乘法器和除法器由移位器和加法器组成。通常不可能或不希望使用 ALU 的主要加法器和移位器单元，因此微处理器通常会包含多个 ALU 单元（一个用于加法和减法的基本单元，以及嵌入在乘法和除法单元中的单元）。这是我们的 ALU 和移位器需要小而快的其他充分理由。

乘法算法

Wallace 树

Wallace 树是一种用于执行乘法的专门结构，被称为计算领域最重要的进步之一。

Wallace 树使用许多相同的 3:2 压缩器（也称为全加器），例如 TI 74x275 芯片或 TI 74x183 芯片，是实现单周期乘法的流行方法之一。TI 74x261 和 74x284 的数据手册描述了使用 Wallace 树实现乘法的某些实际细节。Dadda 乘法器使用相同的 3:2 压缩器，但排列方式略微有效。

乘加运算

乘加运算（MAC）在单个指令中执行乘法和加法。例如，指令

MAC A, B, C

将执行以下操作

A = A + (B × C)

这对需要大量数学运算的处理器很有用，例如图形处理器和 DSP。

MAC 往往具有较长的关键路径，因此如果您的处理器具有 MAC 操作，则可能能够包含其他复杂的算术运算。

在具有累加器体系结构的处理器中，MAC 运算将使用累加器作为目标寄存器，因此指令

MAC B, C

将执行以下操作

ACC = ACC + (B × C)

融合乘加运算

融合乘加运算是一种浮点运算，类似于 MAC。但是，在融合运算中，浮点值在乘法和加法之间不会舍入，而是之后才会舍入。有关浮点舍入的更多信息，请参阅 浮点。