ALU的设计与实现

1、计算机组成原理实验实验四ALU 的设计与实现专业班级：计算机科学与技术学号：0936008姓名：冯帆学号：0936036姓名：张琪实验地点：理工楼 901input 3:0 a, input 3:0 b, input 3:0 s, input m, input cn, output 3:0 f, output aeqb, output c4, output p, output g);reg 3:0 result; wire 4:0temp;wire p0,p1,p2,p3; wire g0,g1,g2,g3;实验四ALU的设计与实现一、实验目的1、理解ALU的功能和其在处理器中的地位。2、掌握

2、ALU的结构化（分模块、分层次）的设计方法。3、掌握ALU的Verilog语言描述方法。二、实验内容1、学习ALU的设计方法。2、用Verilog 语言采用行为描述的方法完成74181 的逻辑设计。3、用Verilog 语言采用结构描述的方法完成74181 的逻辑设计。4、学习用宏模块的方法定制并调用ALU 。三、实验仪器及设备：PC机 + Quartus n 9.0 + DE2-70四、实验步骤:1 .打开Quartus软件，新建工程，并新建一个verilog文件。2 .编写verilog程序。首先，查找 74181的功能表，用always模块和case语句实现其功能。然后，设计ALU 的过

3、程中，利用p 函数和 g 函数实现超前进位功能。3附程序代码如下：module ALU_74181 (/选择信号/m=1 执行逻辑运算，反之执行算术运算/低位的进位或者是高位的借位输出，当a=b时输出1,当a! =b时，输出0/对应74181 的 Cn+4/p 函数/g 函数/定义中间变量result存放结果/定义中间变量temp存放选择变量s和m/进位产生信号/进位传递信号assigntemp=s,m;always(tempor aorb)begincase (temp) /case语句实现74181的32种功能5'b00000: result=a;5'b00001: res

4、ult=!a;5'b00010: result=a|b;5'b00011:result=(!a|b);5'b00100: result=(a|!b);5'b00101: result=!a&b;5'b00110:result=4'b1111;/朴码运算，-1 的补码是 11115'b00111:result=0;5'b01000: result=a+(a&!b);5'b01001: result=!(a&b);5'b01010: result=!b;5'b01011: result=

5、(a|!b)+(a&!b);5'b01100:result=aAb;5'b01101: result=a-b+4'b1111;5'b01110:result=a&(!(b+4'b1111);5'b01111:result=a&!b;5'b10000: result=a+a&b;5'b10001: result=(!a)|b;5'b10010: result=a+b;5'b10011: result=!(aAb);5'b10100: result=(a|!b)+a&b;

6、5'b10101: result=b;5'b10110: result=a&b+4'b1111;5'b10111:result=a&b;5'b11000: result=a+a;5'b11001: result=1;5'b11010: result=(a|b)+a;5'b11011:result=(a|!b);5'b11100:result=(a|!b)+a;5'b11101:result=(a|b);5'b11110:result=a+4'b1111;5'b11111:re

7、sult=a;default: result = 4'b0000;/默认情况，给result赋值为0 endcaseendassignf=result;/将中间变量result的值赋给f/片与片之间的超前进位assigng0=a0&b0; /g 函数是 a与 b 的与assigng1=a1&b1;assigng2=a2&b0;assigng3=a3&b0;assignp0=a0Ab0; /p 函数是 a和 b 的异或assignp1=a1Ab1;assignp2=a2Ab2;assignp3=a3Ab3;assign c4=g3Kg2&p3)|(

8、g1&p2&p3)Kg0&p0&p1&p2)|(cn&p0&p1&p2&p3);/g3 + p3g2+ p3P2g1 + p3P2p1g0+ p3P2p1p0cn assign p=p0&p1&p2&p3;assign g=g3+g2&p3+g1&p2&p3+g0&p1&p2&p3;endmodule4.编译并仿真得出结果。仿真结果如下图:assignaeqb=(a=b)?1'b1:1'b0;五、实验思考。1. ALU的功能是什么，它在

9、整机系统中的地位如何？答：ALU是多功能算数逻辑运算单元，不仅能进行多种算术运算和逻辑运算，如与、或、非、异或循环、移位、求补、清零、加、减、乘、除等，而且具有先行进位逻辑，从而能实现高速运算。ALU是CPU的核心部分，也是 CPU的重要组成部分。一台计算机最主要的 功能就是指向运算的功能，而 ALU恰恰具有这样的功能，可以说多功能运算时据算计的灵 魂，没有运算，计算机将不会具有如此强大的功能。2. ALU是典型的组合逻辑，为什么在P157的实现中要加入时钟信号，其目的是什么？答：处于整机同步的需要，这样可以保证ALU产生的结果能够适时的送到总线，以便数据进行正确的读写。3. 74181 ALU内部加法运算用的是超前进位算法吗？答：是。74181 的设计在内部的实现是通过超前进位，而后又利用了p 函数和 g 函数实现了片与片之间的超前进位功能。4 位之间采用先行进位公式，每一位的进位公式可递推如下：G = A and B P = A xor Bc1 = g0 + p0c0c2 = g1 + p1c1= g1 + p1(g0 + p0c0)= g1 + p1g0 + p1p0c0c3 = g2 + p2c2= g2 + p2(g1 + p1g0 + p1p0c0)= g2 + p2g1 + p2p1g0 + p2p1p0c0c4 = g3 + p3c3= g3 + p3(g2 +