阵列除法器的设计.doc-资料库

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沈阳航空航天大学课程设计报告课程设计名称：计算机组成原理课程设计课程设计题目：阵列除法器的设计院（系）：计算机学院专班学姓业：计算机科学与技术级：14010101 号：2011040101005 名：罗丹指导教师：施国君完成日期：2014年1月10日

沈阳航空工业学院课程设计报告目录第 1 章总体设计方案.................................................................................................. 1 1.1 设计原理...............................................................................................................1 1.2 设计思路.............................................................................................................3 1.3 设计环境...............................................................................................................4 第 2 章详细设计方案.................................................................................................. 7 2.1 顶层方案图的设计与实现...................................................................................7 2.1.1 创建顶层图形设计文件...................................................................................7 2.1.2 器件的选择与引脚锁定...................................................................................8 2.1.3 编译、综合、适配...........................................................................................9 2.2 功能模块的设计与实现.......................................................................................9 2.3 仿真调试.............................................................................................................11 第 3 章编程下载与硬件测试.................................................................................... 13 3.1 编程下载.............................................................................................................13 3.2 硬件测试及结果分析.........................................................................................13 参考文献.........................................................................................................................15 附录（电路原理图）.................................................................................................... 16 -I-

沈阳航空工业学院课程设计报告第 1 章总体设计方案 1.1 设计原理阵列除法器是一种并行运算部件，采用大规模集成电路制造，与早期的串行除法器相比，阵列除法器不仅所需的控制线路少，而且能提供令人满意的高速运算速度。阵列除法器有多种形式，如不恢复余数阵列除法器、补码阵列除法器等等本实验设计的是加减交替阵列除法器。原理是利用一个可控加法／减法 CAS 单元所组成的流水阵列来实现的它有四个输出端和四个输入端。当输入线 P＝0 时，CAS 作加法运算；当 P＝1 时， CAS 作减法运算。逻辑结构图如图 1.1 所示。图 1.1 不恢复余数阵列除法器的逻辑结构图 CAS 单元的输入与输出的关系可用如下一组逻辑方程来表示： Si＝Ai⊕(Bi⊕P)⊕C Ci＋1＝(Ai＋Ci)·(Bi⊕P)＋AiCi 当 P＝0 时，就是一个全加器，如下式： -1-

沈阳航空工业学院课程设计报告 Si＝Ai⊕Bi⊕Ci Ci＋1＝AiBi＋BiCi＋AiCi 当 P＝1 时,则得求差公式： Si＝Ai⊕Bi⊕Ci Ci＋1＝AiBi＋BiCi＋AiCi 其中 Bi＝Bi⊕1。在减法情况下,输入 Ci 称为借位输入,而 Ci＋1 称为借位输出。不恢复余数的除法也就是加减交替法。在不恢复余数的除法阵列中，每一行所执行的操作究竟是加法还是减法，取决于前一行输出的符号与被除数的符号是否一致。当出现不够减时，部分余数相对于被除数来说要改变符号。这时应该产生一个商位“0”，除数首先沿对角线右移，这也就满足了被除数左移，然后加到下一行的部分余数上。当部分余数不改变它的符号时，上商位“1”，下一行的操作应该是减法。本实验就采用加减交替的方法设计这个阵列除法器。图 1.2 所示的就是一个阵列除法器完成 X/Y 的除法运算，图中每一个方框是一个可控加法／减法(CAS) 单元。被除数为 X= X0 X1 X2 X3 X4；除数为 Y= Y0 Y1 Y2 Y3 Y4。其中 X0 和 Y0 是被除数和除数的符号位，在本次设计中 X0 和 Y0 为零，商的符号位恒为零，商为 0.Q1 Q2 Q3Q4，余数为 0.000R4 R5R6R7 R8。被除数 X 是由顶部一行和最右边的对角线上的垂直输入线来提供的，除数 Y 是沿对角线方向进入这个阵列。至于作加法还是减法，由控制信号 P 决定，即当输入线 P＝0 时，CAS 作加法运算；当 P ＝1 时，CAS 作减法运算,其原理框图如图 1.2 所示。 -2-

沈阳航空工业学院课程设计报告图 1.2 阵列除法器原理框图 1.2 设计思路是用一个可控加法/减法(CAS)单元所组成的流水阵列来实现的。推广到一般情况，一个(n＋1)位除(n＋1)位的加减交替除法阵列由(n＋1)2 个 CAS 单元组成，其中两个操作数(被除数与除数)都是正的。流水阵列除法逻辑框图如图 1.2 可控加法／减法(RO)单元如图 1.2 所示，其中被除数为 X = 0. X1 X2 X3 X4，除数为 Y= 0. Y1 Y2 Y3Y4，商数为 Q = 0. Q1 Q2 Q3Q4，它的余数为 R = 0. 000 R4 R5 R6R7R8，字长为 5。要是实现的除法功能是一个四位除数与被除数的相除运算。被除数 X 是一个 4 位的小数：X = 0. X1 X2 X3 X4 它是由顶部一行垂直 X 的输入线来提供的。除数 Y 是一个 4 位的小数：Y= 0. Y1 Y2 Y3 Y4 它沿对角线方向进入这个阵列。这样就用阵列的右移来代替了除法运算中的被除数左移：即让余数保持固定，而将除数沿对角线右移。商 Q 是一个 4 位的小数：Q = 0. Q1 Q2 Q3 Q4 它在阵列的左边产生。 -3-

沈阳航空工业学院课程设计报告余数 R 是一个 8 位的小数：R = 0. 000 R4 R5 R6R7R8 它在阵列的最下一行产生。由于本次设计要完成的是两个正整数的相除，所以最上面一行的控制线 P 置成“1”。减法是用加上绝对值相反数的补码来实现的，而在第一行的末端 P 以 “1”值传递给进位输出，此举正好满足了减法运算中按位取反末位加一来形成补码的操作。这时右端各 CAS 单元上的反馈线用作初始的进位输入。每一行最左边的单元的进位输出决定着商的数值。将当前的商反馈到下一行,我们就能确定下一行的操作。由于进位输出信号与 P 控制端上商正好满足逻辑运算关系，所以进位输出指示出当前的部分余数的符号,同时它将决定下一行的操作将进行加法还是减法。采用细胞模块和门电路等逻辑部件设计并实现阵列除法功能，设计的原理图调试后形成 liufei3.bit 文件并下载到 XCV200 可编程逻辑芯片中，经硬件测试验证设计的正确性。 1.3 设计环境（1）硬件环境 •伟福 COP2000 型计算机组成原理实验仪 COP2000 计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成实验平台上有寄存器组 R0-R3、运算单元、累加器 A、暂存器 B、直通/左移/ 右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展座、总线插孔区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、20 个按键、字符式 LCD、RS232 口。 COP2000 计算机组成原理实验系统各单元部件都以计算机结构模型布局，清晰明了，系统在实验时即使不借助 PC 机，也可实时监控数据流状态及正确与否, 实验系统的软硬件对用户的实验设计具有完全的开放特性，系统提供了微程序控制器和组合逻辑控制器两种控制器方式，系统还支持手动方式、联机方式、模拟方式三种工作方式，系统具备完善的寻址方式、指令系统和强大的模拟调试功能。 -4-

沈阳航空工业学院课程设计报告 ·XCV200 实验板在 COP2000 实验仪中的 FPGA 实验板主要用于设计性实验和课程设计实验，它的核心器件是 20 万门 XCV200 的 FPGA 芯片。用 FPGA 实验板可设计 8 位 16 位和 32 位模型机。 XCV200 相应管脚已经连接好配合 FPGA 实验板的 PC 调试软件可方便地进行各种实验。U3 IDT71V016SA 是 64Kx16 位存储器能保存大容量的程序。 C0-C5 D0-D5 是 12 个 7 段数码管用于显示模型机内部的寄存器总线数值，在设计时可将需要观察的内部寄存器总线等值接到这些 7 段管上直观地观察模型机运行时内部状态变化。A0-A7、B0-B7 是 16 个 LED 发光二极管用于显示模型机内部的状态例如进位标志零标志中断申请标志等等。K0(0-7)-K4(0-7)是四十个开关用于输入外部信号，例如在做单步实验时这些开关可用来输入地址总线值数据总线值控制信号等。T6B595 是 7 段数码管的驱动芯片，74HC1649 是串转并芯片，用于接 16 个 LED。（2）EDA 环境 •Xilinx foundation f3.1 设计软件 Xilinx foundation f3.1 是 Xilinx 公司的可编程期间开发工具，该平台如图 1.3 所示）功能强大，主要用于百万逻辑门设计。图 1.3 Xilinx foundation f3.1 设计平台 -5-

沈阳航空工业学院课程设计报告设计入口工具包括原理图编辑器、有限状态机编辑器、硬件描述语言（HDL）编辑器、LogiBLOX 模块生成器、Xilinx 内核生成器等软件。其功能是：接收各种图形或文字的设计输入，并最终生成网络表文件。设计实现工具包括流程引擎、限制编辑器、基片规划器、FPGA 编辑器、FPGA 写入器等软件。设计实现工具用于将网络表转化为配置比特流，并下载到器件。设计验证工具包括功能和时序仿真器、静态时序分析器等，可用来对设计中的逻辑关系及输出结果进行检验，并详尽分析各个时序限制的满足情况。 •COP2000 仿真软件 COP2000 集成开发环境是为 COP2000 实验仪与 PC 机相连进行高层次实验的配套软件，它通过实验仪的串行接口和 PC 机的串行接口相连，提供汇编、反汇编、编辑、修改指令、文件传送、调试 FPGA 实验等功能，该软件在 Windows 下运行。OP2000 集成开发环境界面如图 1.4 所示。图 1.4 COP2000 计算机组成原理集成调试软件 -6-

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