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实验课程名称 算术运算单元ALU的设计 实验项目名称 实现8种运算的基本功能 学 院 理学院 专 业 班 级 电子信息科学与技术10级1班 学 生 姓 名 赵娇娇 学 号 1007010086 指 导 教 师 马光喜 顾平 实验时间：2012年7月12日算术运算单元ALU的设计设计人：吴红艳赵娇娇目的：数字电路课程设计是数字电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习数字电子技术的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成的，训练学生综合运用学过的数字电路的基本知识，独立设计比较复杂的数字电路的能力。通过数字电路课程设计要求学生：1. 综合运用电子技术课程中所学到的理论知识，独立完成一个设计课题。2. 通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。3. 了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。4. 学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法。5. 掌握常用电子仪器的使用方法。6. 学会撰写课程设计总结报告。7. 培养学生严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。内容：拿到题目后首先进行电路分析设计，在满足设计要求后，再进行硬件电路搭建（在面包板上实现），实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。设计要求：（1）设计4位ALU，可实现8种算术逻辑运算。a.进行两个四位二进制数的运算。b.算术运算：A+B,A-B,A+1,A-1c.逻辑运算：A and B,A or B,A not, A xor B（2）4位输入A3A0、B3-B0用开关设置输入。（3）8种算术逻辑运算通过3位功能选择开关选择某一种功能。（4） 运算结果用两个数码管显示和1个发光管显示。设计结构：设计分为输入控制模块、输出选择模块、加减运算模块及逻辑运算模块等部分。在输入控制部分，利用锁存器，使A和B信号通过脉冲控制同时送入运算电路。在输出控制模块，选择需要输出的显示信号。加减运算电路实现加减运算功能。逻辑运算电路实现逻辑运算功能。 （总电路图）功能的实现原理：该电路是是实现四种算术运算和四种逻辑运算功能的算术运算单元电路。主要是由算术运算模块、逻辑运算模块、输入控制模块和输出控制模块几部分组成。通过时序输入控制实现信号A,B同时送入到运算电路中进行运算，这样能解决非时序信号先后输入进行运算时产生的错误。信号送入运算单元后，逻辑运算和算术运算是同时进行的，只是在不同的模块中进行的而已。而四种算术运算则是通过控制端来进行先后选择运算的。在输出时只显示一种功能则是通过5片74LS244（三态门芯片）和一些门电路通过控制信号A0，A1，A2置不同的数进行控制的选择输出的，数码显示管显示的算术运算的结果，小灯泡则是用来显示逻辑运算的结果。74LS138置数000,001,010,011,100,101,110,111分别控制的输出显示是A+B,A-B, A+1，A-1，非A ，A与B, A异或B， A或B,，.运算结果是同时被送出的，当74LS138被置某一个数时，对应的芯片244的使能端有效，那么相应的功能就被出去显示。当74LA138被置000,001时第一片244始终有效，此时输出的是哪一种功能则取决于这几个数所控制的算术运算电路在进行的是哪一种功能了，它们都是经过一定的门器件进行控制的。器件清单：74LS138 1片 74LS2444片 74LS373 2片 74LS283 2片 74LS04 1片 74LS09 3片 74LS32 1片 74LS84 2片 74LS48 3片 数码管 3个 二极管 5个（可以省略4个） 电阻若干导线若干各部分功能：（输入控制端）输入控制：通过两片74LS373（锁存器）、二片74LS244来实现使输入信号A、B能同时送入运算单元电路进行运算，避免了一些不必要错误的发生。当第一个脉冲输入时，计数器的输出端输出的是00信号，该信号通过门器件作用使第一片373ENG有效，使信号A送入锁存器里面锁存不输出，当第二个脉冲到来时，244输出端输出01，此时使信号B送入锁存器锁存不输出，当第三个脉冲到来时，两片373的的OC有效，锁存在锁存器里面的信号A,B同时被送入运算电路进行运算，同时244被置零，若再来一个脉冲时输出端又从00开始计数控制373了。这个的目的是使计数器当输出端输出10时时输入端的信号重新置零开始计数控制锁存器。00、01、10这三种情况分别控制两片373的状态，分别代表锁存A,锁存B和同时输出A,B.脉冲信号由一个开关在总电路中控制。输出选择输出选择：该模块是用门器件通过控制74LS138的置数来选择哪一端输出为1，从而控制哪部分运算有效，选择输出哪一种功能所对应的结果显示出来。其中and,or,xor,r分别对应逻辑运算结果对应的244芯片的使能端的有效性，而account对应算术运算，EN对应选择A+1，A-1功能，E对应选择A+B,A-B功能。这些端口对应的都是低电平，可以直接控制244的使能端。当输出为1时对应的端口处于有效状态。74LS138置数000,001,010,011,100,101,110,111分别对应的功能是A+B,A-B，A+1，A-1,!A,A&B,A!|B,A|B(运算部分加减法）（自加自减）算术运算算术运算：该部分是由两部分组成，一部分是加减，另一部分是自加自减，因为只有一个显示管显示运算结果，所以用两个244来控制输出结果，而这两个控制端受74LS138置数控制。仿真电路图：逻辑运算模块： （ 与非逻辑运算）该部分实现两个功能：非A 和A与B，分别用4个非门和4个与门来实现，再用两个244来控制输出. （异或和或逻辑运算）该部分用4个异或门和4个或门来实现，实现两个逻辑功能。然后用两个244来控制输出。 运算功能：加法功能减法功能0110-0010=0100 74LS138为001与运算：0110与0010为0010 74LS138为101或运算：0110或0111=0111 74138为111（异或运算）0100异或0011=0111 74 138为110算：（非A运算）1110非为0001 74 138为1000A自加运算：0111+0001=0111 74 138为010（自加运算）7+1=8自减运算：7-1=6实验总结 通过两周的学习与设计，终于完成了这次算术运算逻辑单元ALU的设计，在第一周，我们主要是学习使用Multisim软件，对该设计进行仿真，刚开始是拿到题目时感到很困惑，无从下手，所以就上网百度，看到别人做的好复杂，真正感觉到理论和实践差别是那么大，不过经过老师的讲解，终于有了点眉目，再经过自己反复思考终于做出了仿真图。 第二周领到了面包板，很多芯片，为了把电路设计得干净些，试了很多次，才把芯片插进去，仿照仿真连