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901 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+ Qua

2、rtus 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 (input 3:0 a, input 3:0 b, input 3:0 s, /选择信号 input m, /m=1执行逻辑运算，反之执行算术运算 input cn, /低位的进位或者是高位的借位 output 3:0 f, output aeqb, /输出，当a=b时

3、输出1，当a！=b时，输出0 output c4, /对应74181的Cn+4 output p, /p函数 output g /g函数);reg 3:0 result; /定义中间变量result存放结果wire 4:0temp; /定义中间变量temp存放选择变量s和mwire p0,p1,p2,p3; /进位产生信号wire g0,g1,g2,g3; /进位传递信号assign temp=s,m; always(temp or a or b) begin case (temp) /case语句实现74181的 32种功能 5b00000: result=a; 5b00001: resul

4、t=!a; 5b00010: result=a|b; 5b00011: result=(!a|b); 5b00100: result=(a|!b); 5b00101: result=!a&b; 5b00110: result=4b1111;/补码运算，-1的补码是1111 5b00111: result=0; 5b01000: result=a+(a&!b); 5b01001: result=!(a&b); 5b01010: result=!b; 5b01011: result=(a|!b)+(a&!b); 5b01100: result=ab; 5b01101: result=a-b+4b1

5、111; 5b01110: result=a&(!(b+4b1111); 5b01111: result=a&!b; 5b10000: result=a+a&b; 5b10001: result=(!a)|b; 5b10010: result=a+b; 5b10011: result=!(ab); 5b10100: result=(a|!b)+a&b; 5b10101: result=b; 5b10110: result=a&b+4b1111; 5b10111: result=a&b; 5b11000: result=a+a; 5b11001: result=1; 5b11010: resul

6、t=(a|b)+a; 5b11011: result=(a|!b); 5b11100: result=(a|!b)+a; 5b11101: result=(a|b); 5b11110: result=a+4b1111; 5b11111: result=a; default : result = 4b0000; /默认情况，给result赋值为0 endcase endassign f=result; /将中间变量result的值赋给f/片与片之间的超前进位assign g0=a0&b0; /g函数是a与b的与assign g1=a1&b1;assign g2=a2&b0;assign g3=a

7、3&b0;assign p0=a0b0; /p函数是a和b的异或assign p1=a1b1;assign p2=a2b2;assign p3=a3b3;assign c4=g3|(g2&p3)|(g1&p2&p3)|(g0&p0&p1&p2)|(cn&p0&p1&p2&p3);/g3 + p3g2 + p3p2g1 + p3p2p1g0 + p3p2p1p0cnassign p=p0&p1&p2&p3; assign g=g3+g2&p3+g1&p2&p3+g0&p1&p2&p3;assign aeqb=(a=b)?1b1:1b0;endmodule4编译并仿真得出结果。仿真结果如下图：五、

8、实验思考。1. ALU的功能是什么，它在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

9、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 + p2g1 + p2p1g0 +