基于 Quartus II 的运算器的设计与实现 【摘 要】 本文借助于 Quartus II 软件在计算机上仿真制作了具有简单运算功 能的运算器，由此我们一方面可以了解电路仿真的主要流程，另一方面可以验证运算器的功 能。 【关键词】 Quartus II EDA 运算器 仿真 0 引言 电路设计对于电子信息类专业的学生而言是十分重要的，它是将理论知识运用于实践的 一个重要途径。它对巩固课堂教学内容，提高学生的动手能力具有重要作用。但对于一些比 较复杂的实验，学生要用大量的时间和精力进行电路连接和线路检查，常常是事倍功半，实 验效果不是很理想。将计算机模拟引入到实验教学中，既可以使学生随时进行实验，又可以 直接获取结果，增加学生的感性认识。而且计算机模拟仿真让设计变得更易实现，这不仅节 约了经济上的开销，还节约了大量的时间与精力。这里介绍的 Quartus II 可以弥补原先许 多数字芯片和线路连接的繁琐步骤和手工操作，使原先复杂的实现过程变得容易理解与掌 握，而且还能帮助学生更快、更好地掌握课堂理论内容，加深对概念原理的理解，进一步培 养学生的综合设计能力、排除故障能力和创新能力[1]。 本文借助 Quartus II6.0 现有的器件，设计了一个运算器，使用 Quartus II6.0 完成仿 真，并通过仿真波形展示该运算器是如何实现运算器功能的。 1 用 Quartus II 做电路设计实验的优点 Quartus II6.0 是由美国 Altera 公司开发的，是一款功能比较强的 EDA 工具软件，它 的优势主要体现在其功能齐全，方便简单。具有可编程系统(SOPC)设计的综合性环境，也是 适合 SOPC 的最全面的设计环境[2]。它拥有现场可编程阵列（FPGA）和复杂可编程器件（CPLD） 设计的所有阶段的解决方案。它的简单易用，方便快捷，给设计者减少了难度，节约了很多 时间 [3] 。 为了改变延续多年的“实验内容单一，实验设备陈旧，实验时间受限，实验效果差[4] ” 的状况，考虑到学校机房有许多时间向学生开放，另外考虑到许多学生自己有电脑，我们选 用了 Quartus II。Quartus II 功能强大、界面友好、易于掌握，彻底改变了传统的实验教 学模式，实验具有开放性、可编程性强、设计空间大、时间灵活等特点，并具有较高的实验 效率。它可以培养学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力，增强学生对实验的浓厚兴 趣，提高实践教学的质量。其显著特点如下： 开放性好：学生可以在机房的开放时间进行实验，也可以在自己宿舍里的电脑上做实验； 学生可以在实验课之前预习，也可以在实验课之后进行复习；优秀学生可以进行提高训练， 来不及的和不会的学生可以在课后进行补差练习；相关课程结束后，感兴趣的学生也可以在 此方面继续钻研。 可操作性强：对提高学生的动手能力，加强学生对计算机整体和各组成部分的理解，增 强学生计算机系统综合设计能力都有很大帮助。 实验内容安排合理：实验能够与理论教学紧密结合，实验内容由简到繁，由浅入深，循 序渐进，使学生在课堂上学到的理论知识在实验中得到验证。 实验结果直观：实验平台采用的是 QuartusII，使用方便，操作简单，实验结果学生一 目了然。 实验内容有趣：实验内容紧扣教学内容，通过实验让学生更直观地理解书本知识，改变 

了以往学生认为做实验没意思的状况，使学生做实验的兴趣越来越浓厚。 2 运算器的设计 一个简单的运算器由 ALU (两片 74181)，数据寄存器 DR1,DR2（两片 74273）以及数据 缓冲器 ALU_BUF (一片 74244)构成[5]，它们可以完成 DR1 与 DR2 的运算，具体的运算功能请 见下面的功能表[6]。 S3 S2 S1 S0 M=H 逻辑 M=L 算术运算 正 逻 辑 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 运算 —A BA  —AB 0 AB —B A⊕B A —B —A+B BA  B AB 1 A+ —B A+B A Cn=1 A A+B A+ —B 减 1 A 加 A —B (A+B) 加 A —B A 减 B 减 1 A —B减 1 A 加 AB A 加 B Cn=0 A 加 1 （A+B）加 1 （A+ —B）加 1 0 A 加 A —B加 1 (A+B)加 A —B加 1 A 减 B A —B A 加 AB 加 1 A 加 B 加 1 (A+ —B)加 AB (A+ —B)加 AB 加 1 AB 减 1 A 加 A (A+B)加 A (A+ —B)加 A A 减 1 AB A 加 A 加 1 (A+B)加 A 加 1 (A+ —B)加 A 加 1 A 2.1 运算器的各个输入控制端口如下: a)控制端 S0～S3, 组合控制运算器执行不同的运算，如:1001 时可以执行加（控制端 M 为低电平，控制端 CN0 时为高电平时有效）。 b)控制端 M，高电平时控制运算器执行算术运算，低电平时控制运算器执行逻辑运算。 c)控制端 N_AU(与 N_IN 互斥使用)，运算器部件输出运算结果传送总线的使能端（注： 为了方便和以后设计的其它计算机部件连接，我们在这里设置了总线）； d)控制端 N_IN(与 N_ALU 互斥使用),输入数据传送总线的使能端； e)控制端 LDDR1，数据寄存器 DR1 的时钟使能信号，上升沿到来时触发； f)控制端 LDDR2，数据寄存器 DR2 的时钟使能信号，上升沿到来时触发； g)时钟信号 CLK1,用来产生运算器部件所需的时钟信号； h)控制端 CN0，运算器的低位进位端。低电平为有进位，高电平时为无进位（注：只 有在算术运算是有效）； 2.2 运算器部件的各个输出端口如下: a)DR1_OUT0～DR1_OUT7，数据寄存器 DR1 的显示灯； b)DR2_OUT0～DR2_OUT7, 数据寄存器 DR2 的显示灯； 

c)BUS0～BUS7，总线的数据显示灯； d)CN8_ALU；运算器的高位进位端。高电平为有进位，低电平时为无进位； 2.3 运算器部件的总体结构图 该运算器部件的总体结构图如图（1）所示，主要显示各器件之间的连接关系。 3 运算器的实现 3.1 新建项目 我们首先要新建一个项目来管理所要新建的各种文件，方法是：在 Quartus Ⅱ环境下， 打开菜单 File，选择子菜单 New Project Wizard 后，按照向导窗口的提示，在窗口中正确输 入有关的路径名和项目名称后，按下“ Finish”按钮，即可完成项目的新建工作。 3.2 原理图输入与编译（创建.bdf 文件） 选 择 File—New, 打 开 “ 新 建 ” 窗 口 ： 在 “ Device Design Files ” 页 ， 选 中 “ Block 

Diagram/Schematic File”项后，按下“OK”按钮即可打开原理图编辑器，进行原理图的录 入编辑，在进行逻辑图输入时，在编辑区的空白处双击鼠标左键，即可打开标题栏为 “Symbol”的窗口：你只需在“Name”标签下的输入框中输入要用到的器件的名称（比如 74181、input、output 等等），就可以把该器件输入到编辑区中。待线路连接等编辑工作完成 后，即可按下“►”按钮进行编译。 3.3 创建向量波形文件（创建.vwf 文件） 当原理图编译完成后，会出现对话框“Full compilation was successful”，此时就要新建 波形文件，以便利用波形文件进行仿真分析。打开新建窗口，选择“Other files”标签，选 中“Vector waveform File”一项，按下“OK”按钮，即可新建一个波形文件，双击 Name 下面的空白区域后出现“Insert Node or Bus”对话框，点击“Node Finder”按钮，在弹出的 “Node Finder”对话框 Filter 中选择“Pins: all”，点击“Start” 按钮，然后在选中下面正中 的“》”按钮，点击当前对话框的“OK” 按钮，最后再点击“Insert Node or Bus”对话框的 “OK” 按钮即可。 3.4 仿真 波形文件创建完毕后，要描绘仿真波形。先给各控制信号、输入信号赋初值，设定每个 端口变量的高低电平。若需输入脉冲信号，可右击相应的端口变量，选中快捷菜单“Value” 中的“Clock”。设定完成后就可以点击“ ”进行仿真操作获得仿真结果，最后分析输入输 出波形，判断所设计的电路的正确性。 运算器部件的仿真波形如图（2），该图给出了该运算器部件加法的执行过程。DR1 和 DR2 输入的数据分别是 24H 和 45H，S3～S0 为 9H（即 1001）执行不带进位的加法运算，结果为 69H。其他的运算操作可调整输入信号进行相应的仿真处理。 4 结束语 实验是将理论与实践联系在一起的重要桥梁，通过使用 Quartus II 对运算器部件的分 析，设计，实现仿真等工作，可以充分体验 Quartus II 在设计上简单易用，便于整合，方 便修改等特点。掌握这些基本方法后可以指导我们进行其它的电路设计，同时为进一步学习 使用 EDA 软件打下良好的基础。 参 考 文 献 [1]覃贵礼,谭呈祥. 用 Quartus II 实现数字电路实验中的仿真[J]. 南宁师范高等专科学校 学报,2005(2):71-73. 

[2]郑亚民,许敏. 基于 Quartus II 的带计时器功能的秒表系统设计[J]. 电子工程师, 2005(01):59-62. [3] 李 雪 梅 . 用 Quartu II4.0 设 计 数 字 电 路 过 程 的 介 绍 [J]. 现 代 电 子 技 术 , 2005(06):35-38. [4] 裘雪红. 计算机组成原理实验指导[EB/OL]. http://202.117.112.23/zcyl/experiment/guide.htm, 2007-6-10/2007-8-26. [5]王爱英. 计算机组成与结构[M]. 北京：清华大学出版社,2001: 170-172. [6]东南大学计算机学院. ALU 部件 [EB/OL]. http://cse.seu.edu.cn/people/xuzaolin/Chapter3/untitled14.html, 2007-5-11/2007-8-23. Design and Implementation of Arithmetic Unit based on Quartus II Cheng Yao，Wang Li-chun，Gu Hui （School of Computer Science & Technology, Nantong University, Jiangsu, China 226019） Abstract: In this article, the authors design and implementation a arithmetic unit based on Quartus II. It can help us to learn the main flow of circuit simulation and validate the function of the arithmetic unit. Key words: Quartus II, EDA, Arithmetic Unit, Simulation