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计组实验 alu设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.27M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    实 验 报 告 实验人： 院（系）： 学号： 日期： 专业（班级）： 实验题目： 四位ALU算术逻辑单元设计实验 一. 实验目的 1. 了解ALU(算术逻辑单元)的功能和使用方法； 2. 认识和掌握超前（并行）进位的设计方法； 3. 认识和掌握ALU的逻辑电路组成； 4. 认识和掌握ALU的设计方法。 二. 实验原理 本实验中的ALU运算逻辑单元由4个一位的ALU运算逻辑单元组成，每一位的ALU电路由全 加器和函数发生器所组成。为了实现多功能的运算，An和Bn数据是不能和全加器直接相连接 的，他们的功能受到F3~F1的制约。因此，可由An和Bn数据和功能变量F3~F1组合成新的函数 Xn和Yn，然后，再将Xn和Yn和下一位的进位Cn-1通过全加器进行全家运算以实现所需的运算 功能。C0为最低位的进位输入端，C4为最高位的进位端，Sn是运算结果（n=1，2，3，4）。 ALU 的逻辑结构如下图： 三. 实验内容
    本实验的算术逻辑运算单元可实现求反、求补、加反、（加1）传送、异或以及加减运 算等8种功能。当然也可以根据需要进行功能的增减，只需要对函数发生器的设计做出修改 即可。（其中/B表示取B的反） 四位 ALU 的八种功能操作表 F3 F2 F1 功能 操作名称 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S ← /B S ← /B + 1* S ← B S ← B + 1* S ← A + /B S ← A + /B + 1* S ← A + B S ← A ⊕ B 求反 求补 传送 B 加 1 传送 加反 减 加 异或 四. 实验器材 （1）电脑一台 （2）MAX+PLUS II 电脑设计软件一套 （3）根据需要选用器件，但已基本逻辑门电路器件为主。 五. 实验分析与设计 该算术逻辑运算单元采用模块化设计方法。共划分了三类模块: 全加器电路模块 (fulladder)、函数发生器电路模块(func)、先行进位逻辑电路模块（C0～C4)。先完成各个 单独模块的设计，再根据具体要求和需要，将这些设计好的模块按要求组合起来，来实现多 功能算术逻辑运算单元。 （1） 全加器电路模块 根据功能操作，可以得一位算术/逻辑运算单元的全加器逻辑表达式（n=1、2、3、4）如下： Sn=Xn⊕Yn⊕Cn-1 Cn=XnYn + (Xn+Yn)Cn-1 令 Pn= Xn+Yn Gn= XnYn 则 Cn= Gn+PnCn-1
    全加器电路逻辑图如下： 装之后的逻辑图如下： 封 （2） 函数发生器模块 由 ALU 的功能操作表分析得到如下功能表达式： Xn = F3·An Yn = /( F2 ○+ Bn ) 函数发生器的逻辑电路如下： 装之后的逻辑图如下：
    （3） 超前进位模块 这是实现 ALU 高速运算的关键，由前述基本原理相关内容可得，各位的进位表达式 如下： C1= (G1+P1C0）·/(F1·F2·F3) = (X1Y1 + (X1+Y1)C0)·/(F1·F2·F3) C2= (G2+P2C1）·/(F1·F2·F3) =（G2+P2G2 + P2P1C0）·/(F1·F2·F3)=(X2Y2 + (X2+Y2) X1Y1 + (X2+Y2)(X1+Y1)C0) ·/(F1·F2·F3) C3、C4 依此类推得， C3= (X3Y3+(X3+Y3)X2Y2 + (X3+Y3)(X2+Y2) X1Y1 + (X3+Y3)(X2+Y2)(X1+Y1)C0) ·/(F1·F2·F3) C4= (X4Y4+(X4+Y4)X3Y3+(X4+Y4) (X3+Y3)X2Y2 + (X4+Y4) (X3+Y3)(X2+Y2) X1Y1 + (X4+Y4) (X3+Y3)(X2+Y2)(X1+Y1)C0) ·/(F1·F2·F3) 根据以上逻辑表达式，画出电路图，做成相应的先行进位芯片 C1～C4，并组成实现 4 位 先行进位的芯片组， C0 的逻辑电路图和符号：（G 端表示联级关系控制端） C0 一个特殊的先行进位芯片,这是用来接收来自其他芯片的低位进位并产生一个向高位 进位的芯片。也是本 ALU 芯片的最低位进位模块，它在多个 ALU 模块之间的扩展起到重要作 用。在使用多个此类 ALU 芯片制作位数更高的算术逻辑单元时，c0 的 G 端将用于接收来自 另一个芯片的高位进位，以实现扩展。而在单独使用时，C0 的 G 位不起作用，此时一般只 需要将这位置零。C0 的逻辑表达式为： C0=F1·/(F2·F3)+G,
    C1 的逻辑电路图和符号： C2 的逻辑电路图和符号：
    C3 的逻辑电路图和符号：
    C4 的逻辑电路图和符号：
    最后对完成的各模块进行整合，并进行编译和仿真。 4 位 ALU 的逻辑图 4 位 ALU 的符号：
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