组原课设阵列除法器的设计论文

1、I / 21航空航天大学课课 程程 设设 计计 报报 告告课程设计名称：计算机组成原理课程设计计算机组成原理课程设计课程设计题目：阵列除法器的设计阵列除法器的设计院（系）：计算机学院专 业： 班 级：学 号：姓 名：指导教师： 完成日期：2011年1月14日I / 21目目 录录第第 1 1 章总体设计方案章总体设计方案 1 11.1 设计原理 11.2 设计思路 31.3 设计环境 4第第 2 2 章详细设计方案章详细设计方案 7 72.1 顶层方案图的设计与实现 72.1.1 创建顶层图形设计文件 72.1.2 器件的选择与引脚锁定 82.1.3 编译、综合、适配 92.2 功能模块的设计

2、与实现 92.3 仿真调试 11第第 3 3 章编程下载与硬件测试章编程下载与硬件测试 14143.1 编程下载 143.2 硬件测试与结果分析 14参考文献参考文献 1616附录（电路原理图）附录（电路原理图）17171 / 21第 1 章 总体设计方案1.11.1 设计原理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

3、输出端和四个输入端。当输入线 P0 时，CAS 作加法运算；当 P1 时，CAS作减法运算。逻辑结构图如图 1.1 所示。图图 1.11.1 不恢复余数阵列除法器的不恢复余数阵列除法器的逻辑结构图逻辑结构图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：SiAi(BiP)CCi1(AiCi)(BiP)AiCi当 P0 时，就是一个全加器，如下式：2 / 21SiAiBiCiCi1AiBiBiCiAiCi当 P1 时,则得求差公式：SiAiBiCiCi1AiBiBiCiAiCi其中 BiBi1。在减法情况下,输入 Ci称为借位输入,而 Ci1称为借位输出。不恢复余数的除法也就是加减交替

4、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

5、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 P0 时，CAS 作加法运算；当 P1时，CAS 作减法运算,其原理框图如图 1.2 所示。3 / 21图图 1.21.2 阵列除法器原理框图阵列除法器原理框图1.21.2 设计思路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(n1)位除(n1)位的

6、加减交替除法阵列由(n1)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. X1X2X3X4，除数为 Y= 0. Y1Y2Y3Y4，商数为 Q = 0. Q1Q2Q3Q4，它的余数为 R = 0. 000R4R5 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. X1X2X3X4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. Y1Y2Y3Y4它沿对角线方向进入这个阵列。这

7、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. Q1Q2Q3Q44 / 21它在阵列的左边产生。余数 R 是一个 8 位的小数：R = 0. 000R4R5R6R7R8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。

8、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。 1.31.3 设计环境设计环境（1）硬件环境硬件环境伟福伟福 COP2000COP2000 型计算机组成原理实验仪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

9、 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与正确与否, 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

10、，系统具备完善的寻址方式、指令系统和强大的模拟调试功5 / 21能。XCV200XCV200 实验板实验板在 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部的寄存器总线数值，在设计时可将需要观察的部寄存器总

11、线等值接到这些 7 段管上直观地观察模型机运行时部状态变化。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）EDAEDA 环境环境XilinxXilinx foundationfoundation f3.1f3.1 设计软件设计软件Xilinx foundation f3.1 是 Xilinx 公司的

12、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。6 / 21图图 1.31.3 XilinxXilinx foundationfoundation f3.1f3.1 设计平台设计平台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 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

13、时序分析器等，可用来对设计中的逻辑关系与输出结果进行检验，并详尽分析各个时序限制的满足情况。COP2000COP2000 仿真软件仿真软件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。OP2000OP2000 集成开发环境界面如图 1.4 所示。图图 1.41.4 COP2000COP2000 计算机组成原理集成调试软件计算机组成原理集成调试软件7 / 21第 2 章 详细设计方案2.12

14、.1 顶层方案图的设计与实现顶层方案图的设计与实现顶层方案图实现阵列除法器的逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，电路实现基于 XCV200 可编程逻辑芯片。在完成原理图的功能设计后，把输入/输出信号安排到 XCV200 指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定。2.1.12.1.1 创建顶层图形设计文件创建顶层图形设计文件顶层设计采用了原理图设计输入方式，图形文件主要由可控加法减法(CAS)单元构成， 由 25 个 CAS 模块组装而成的一个完整的设计实体。可利用 Xilinx foundation f3.1 ECS 模块实现顶层图形文件的设计，顶层图形文件结构如图2.1 所示。图 2.1 阵列除

15、法器的设计图形文件结构图 2.1 所示的阵列除法器的顶层文件结构是由一个阵列除法器通过 Xilinx foundation f3.1 封装后构成,其中 X0.X1X2X3X4 为被除数，Y0.Y1Y2Y3Y4 为除数P 为加减控制端（1 为减法，0 为加法） ，Q0.Q1Q2Q3Q4 为商，0.000R1R2R3R4R5 为余数。其电路原理如图 2.2 所示。8 / 21图图 2.22.2 阵列除法器电路图阵列除法器电路图2.1.22.1.2 器件的选择与引脚锁定器件的选择与引脚锁定（1 1）器件的选择）器件的选择由于硬件设计环境是基于伟福 COP2000 型计算机组成原理实验仪和 XCV20

16、0实验板，故采用的目标芯片为 Xilinx XCV200 可编程逻辑芯片。（2 2）引脚锁定）引脚锁定把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到 Xilinx XCV200 芯片指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，各信号与 Xilinx XCV200 芯片引脚对应关系如表2.1 所示。9 / 21表表 2.12.1 信号和芯片引脚对应关系信号和芯片引脚对应关系图形文件中的输入图形文件中的输入/ /输出信号输出信号XCV200XCV200芯片引脚信号芯片引脚信号X1P100X2P101X3P102X4P103Y1P84Y2P85Y3P86Y4P87X0P97Y0P82Q0P107Q1P215Q2P2

17、16Q3P217Q4P218R0P99R1P220R2P221R3P222R4P223PP812.1.32.1.3 编译、综合、适配编译、综合、适配利用 XilinxXilinx foundationfoundation f3.1f3.1 的原理图编辑器对顶层图形文件进行编译，并最终生成网络表文件，利用设计实现工具经综合、优化、适配，生成可供时序仿真的文件和器件下载编程文件。2.22.2 功能模块的设计与实现功能模块的设计与实现阵列除法器的底层设计包括 25 个可控加法减法(CAS)模块，设计时这个模可控加法减法(CAS)模块由 2 个或门、3 个异或门和 4 个与门逻辑组合成电路实现。可控加

18、法减法(CAS)模块逻辑图如图 2.3 所示。10 / 21图图 2.32.3 可控加法减法可控加法减法(CAS)(CAS)单元逻辑图单元逻辑图为了在为能在图形编辑器（原理图设计输入方式）中调用可控加法减法(CAS) 芯片需要把它封装，可利用 Xilinx foundation f3.1 编译器中的如下步骤实现：Tools=Symbol Wizard=下一步。XIN、YIN、PIN、CIN 为 4 个输入信号，YOUT、POUT、COUT、SOUT 为 4 个输出信号。其元件图形符号如图 2.4 所示。图图 2.42.4 控制器元件图形符号控制器元件图形符号2.32.3 仿真调试仿真调试仿真调

19、试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的电路进行仿真。（1 1）建立仿真波形文件与仿真信号选择）建立仿真波形文件与仿真信号选择11 / 21功能仿真时，首先建立仿真波形文件，选择仿真信号，对选定的输入信号设置参数（以一组数据为例） ，选定的仿真信号和设置的参数如表 2.3 所示。表表 2.32.3 仿真信号选择和参数设置仿真信号选择和参数设置输入信号输入信号 输出信号输出信号X00Y00Q0R0X11Y11Q1R1X20Y21Q2R2X31Y30Q3R3X41Y41Q4R4P1（2 2）功能仿真结果与分析）功能仿真结果与分析以书中 P261 例题给出数据为

20、例，当被除数 X=0.1011,除数 Y=0.1101 时,得出商的理论值 Q=0.1101,余数的理论值 R=0.00000111。将理论值与功能仿真波形结果图（图 2.6） ，仿真数据理论结果表（表2.4）相比较，发现结果完全一致。可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计的正确性。12 / 21图图 2.2. 6 6 功能仿真波形结果功能仿真波形结果表表 2.32.3 仿真数据理论结果仿真数据理论结果输入信号输入信号 输出信号输出信号X00Y00Q00R00X11Y11Q11R10X20Y21Q21R21X31Y30Q30R31X41Y41Q41R41P113 / 21第 3 章编程

21、下载与硬件测试3.13.1 编程下载编程下载利用 COP2000 仿真软件的编程下载功能，将得到 liufei3.bit 文件下载到XCV200 实验板的 XCV200 可编程逻辑芯片中。3.23.2 硬件测试与结果分析硬件测试与结果分析利用 XCV200 实验板进行硬件功能测试。定点原码一位乘法器的输入数据通过 XCV200 实验板的输入开关实现，输出数据通过 XCV200 实验板的 LED 指示灯实现，其对应关系如表 3.1 所示。 表表 3.1XCV2003.1XCV200 实验板信号对应关系实验板信号对应关系图形文件中的输入图形文件中的输入/ /输出信号输出信号XCV200XCV200

22、芯片引脚信号芯片引脚信号XCV200XCV200实验板实验板X0P97K0：4X1P100K0：3X2P101K0：2X3P102K0：1X4P103K0：0PP81K1：5Y0P82K1：4Y1P84K1：3Y2P85K1：2Y3P86K1：1Y4P87K1：0Q1Q4、R1R4P215P223S0Q0P99B5R0P107B4利用表 2.3 中的输入参数作为输入数据，逐个测试输出结果，即用 XCV200实验板的开关 K0、K1 与 K2 控制数据输入，同时观察数码显示管和发光二极管显示结果，得到如图 3.1 所示的硬件测试结果。14 / 21图图 3.13.1 硬件测试结果图硬件测试结果图 可以看出硬件测试结果为商等于 5，余数等于 6，都是 16 进制的数。换成二进制分别为 0101、0110，符号位均为 0，与表 2.4 中的理论值一样，说明电路设计完全正确。也就是说阵列除法器设计成功。15 / 21参考文献1 昕燕.EDA 技术实验与课程设计M.：清华大学，20062 延滨.微型计算机系统原理、接口与 EDA 设计技术M.：邮电大学，20063 王爱英.计算机组成与结构(第 4 版)M.：清华大学，20064