计算机组成原理：通用乘法器设计详解

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计算机组成原理：通用乘法器设计详解

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CSDN

https://blog.csdn.net/baidu_33836580/article/details/144727884

在计算机组成原理中，乘法器是重要的算术逻辑单元之一。本文将介绍一种能够处理无符号数和有符号数（补码）乘法的通用乘法器电路设计。通过对比传统方法和创新设计，展示其在电路复杂度和灵活性方面的优势。

在上篇博文中，做而论道介绍了“无符号数” 乘法器和“有符号数（补码）” 乘法器的电路。可见点击此处。
在本博文中，做而论道将把它们结合在一起，构成一个 “通用乘法器” 的电路。

无符号数相乘法，其理论依据，就是小学所学的乘法竖式。　一个例题的竖式如下。
有符号数相乘的方法，其理论依据，也是小学学过的乘法竖式。　如下所示。

依据这两个竖式，便可设计乘法电路了。　并不需要再列举出计算机教材上写的那些表格形式计算过程甚至画一些莫名其妙的控制流程图。

简单的观察一下这两个竖式，便可发现有两个不同之处：一处是符号位不同、另一处是在最后一项部份积的加减运算不同。　在上篇博文中，已经分别给出了两种乘法的电路图。　下面，把它们再显示出来，大家可以仔细看看，两图中的不同之处，是如何连线的。

四位无符号数的乘法电路如下。

四位补码（一位乘校正法）的乘法电路如下。

在无符号数乘法电路中，用四位加法器，就可以完成四位数的乘法运算了。　所以，上图中，并没有留出符号位的位置。

在补码乘法电路中，由于需要计算额外的符号位，所以就增加了三片加法器芯片（U8U9U10），这就多出来几条空闲的输入线，可以用来输入 “符号位”。　观察图中的连线，是用 “乘数 A 的最高位” 与上 “乘数 B 的各个位 Bi ” 连接到这几个 “空闲位” 的。　如果乘数 A 的最高位是 1，这几个位，也就是 1，反之就是 0。　此处电平随着乘数 A 的最高位变化，显然就是扩充出来的 “符号位” 了。

如果用这个补码乘法的电路，完成无符号数的乘法运算，这几条线，就必须输入 0。

想要达到这个目的，只需用上四个与门，即可。

在无符号数乘法电路中，四项部份积是做“连加运算”。

在补码乘法电路中，前三项部份积是相加的，最后一项，则需要做减法。　于是，就在最后。配置了四个异或门，对乘数 A 进行取反，在加法器中，又加上了一。　取反加一后，再去相加，当然就是做减法了。　

如果用这个补码乘法的电路，完成无符号数的乘法运算，这几个异或门，就必须让它们 “不取反”，之后，也不要加一了。

想要达到这个目的，只需用上一个与门，也就可以了。

下图就是无符号数、补码通用乘法器的电路图。

图中左下部的拨动开关（SW1）拨到了接地的位置，与门（U13）的输出即为 0，将使得四个异或门都是同相输出。　另外，由 SW1 产生的 0，还送到了左上角的四个与门，这些与门也就都输出了 0。　这些 0，又送到了加法器的 “符号位” 端。　

“异或门同相输出、符号位输入零”，　这就完全符合无符号数乘法的需求。

图中的数据之间的关系是：1101 × 1011 = 1000 1111，也就是十进制的：13 × 11 = 143。

如果，把拨动开关（SW1）拨到了接电源的位置呢？

如果 B3 再为 1，与门（U13）的输出即为 1，使得四个异或门都是反相输出，且在加法器进位输入端，也输入了一个 1。　另外，由 SW1 产生的 1，就使左上角的四个与门，都输出了乘数 A 的最高位，然后又送到了加法器的 “符号位” 端。　