定点补码加法器的设计

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：定点补码加法器的设计院（系专业：班级：学号：姓名：目 录第章总体设计方案 2设计原理 2设计思路 3设计环境 4第章详细设计方案 6顶层方案图的设计与实现 6器件的选择与引脚锁定 6编译、综合、适配 7功能模块的设计与实现 7.2.1求补模块的设计与实现 72.2.2加法器模块的设计与实现 10第章仿真与调试 12第章编程下载与硬件测试 13编程下载 13硬件测试与结果分析 13参考文献 15附 录（程序清单或电路原理图） 16-I-第1章 总体设计方案1章总体设计方案设计原理,可以和正数一样来处理。这样，运算器里只需要一个加法器就可以了，不必为了负数的加法运算,再配一个加法器。补码加法公式是[x]补+[y]补=[x+y]补|x|<(2n-1),|y|<(2n-1),|x+y|<(2n-1)（1）x>0,y>0,则x+y>0.根据数据补码定义可得：[x]补+[y]补=x+y=[x+y]补（2）x>0,y<0,则x+y>0或x+y<0.相加的两个数一个为正数，一个为负数，因此相加的结果为正负两种可能。根据补码定义可得：[x]补=x, [y]补=2n+1+y[x]补+[y]补=x+2n+1+y=2n+1+(x+y)=[x+y]（3）x<0,y>0,则x+y>0或x=y<0.这种情况和第二种情况一样，把x和y的位置对调即得证。（4）x<0,y<0,则x+y<0。相加两个数都是负数，则其和也一定是负数。[x]补=2n+1+x, [y]补=2n+1+y[x]补+[y]补==2n+1+(2n+1+x+y)=2n+1+(2n+1+x+y)=[x+y]补2是补码加法的理论基础。-2-第1章 总体设计方案其原理框图如图1.1所示输出结果输出结果C求补模块ALU原码求补模块原码求补模块原码输入A原码输入B图1.1原理框图设计思路VHDL语言编写的控制器828二进制数的求和。最后通过求补器转换成正确的结果，达到课设要求。-3-第1章 总体设计方案设计环境（1）硬件环境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。COP2000PC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寻址方式、指令系统和强大的模拟调试功能。（2）EDA环境Xilinxfoundationf3.1设计软件Xilinxfoundationf3.1是Xilinx公司的可编程期间开发工具，该平台（如图所示）现工具、设计验证工具三大部分组成。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。-4-第1章 总体设计方案COP2000集成调试软件COP2000COP2000PC机相连进行高层次实验的PCFPGA面。其实验等功能，该软件在Windows下运行。COP20001.3所示。1.3COP2000集成开发环境界图-5-第2章 详细设计方案2章详细设计方案顶层方案图的设计与实现进行计算。采用原理图设计输入方式完成，电路实现基于XCV200/XCV200去，实现芯片的引脚锁定。器件的选择与引脚锁定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XCV200实验板，故采用的目标芯片为XilinxXCV200可编程逻辑芯片。引脚锁定把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到XilinxXCV200芯片指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，各信号及XilinxXCV200芯片引脚对应关系如表2.1所示。图形文件中的输入/输出信号A0A1A2A3A4A5A6E1B0B1B2

表2.1引脚图XCV200芯片引脚信号P103P102P101P100P97P96P95P94P87P86P85-6-第2章 详细设计方案B3B4B5B6E2O0O1O2O3O4O5O6O7B3B4B5B6E2O0O1O2O3O4O5O6O7OFP84P82P81P80P79P223P222P221P220P218P217P216P78P147编译、综合、适配Xilinxfoundationf3.1的原理图编辑器对顶层图形文件进行编译，并最的文件和器件下载编程文件。功能模块的设计与实现根据课设要求，本实验共分为两个模块，其中包括求补模块，加法器模块，求补模块是把两个源码输入转换成补码，负数可以像正数一样计算，使得计算简单；加法器模块，实现两个补码相加，将两个补码相加结果在转换成源码，其中包括溢出处理，并输出结果，具体实现如下所示。.2.1求补模块的设计与实现10 2求补器的扩展，实现七位求补电路，并采用按位扫描技术来执行所需要的求补操作。令A=a….aa是给定的a1，例如a10 -7-第2章 详细设计方案i 样，aa以左的每一个输入11。另外C0，当控制信号线E10时，输出将和输入相等，显然我们可以符号i 图2.1求补模块00001111时，E0时，不启动求补器，其输出与输入相100111111E=11左边的数按位取反，右边的数包括12.22.3所示。图2.2求补模块波形图-8-第2章 详细设计方案图2.3补码转换电路图-9-第2章 详细设计方案2.2.2加法器模块的设计与实现由于所选器件有限，加法器模块采用了两个四位的加法器实现八位的求补电路，将前四位的最高进位进到后四位的最低进位，从而实现了八位的加法运算，加法模块如图2.4所示、图2.4加法模块图00000011000010102.52.6所示。图2.5加法模块波形图-10-第2章 详细设计方案图2.2加法器电路图-11-第3章 仿真与调试3章仿真与调试仿真调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）建立仿真波形文件及仿真信号选择功能仿真时，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，选定的仿真信号，其具体波形如图3所示。3.1波形图B=B7B6B5B4B3B2B1=00000011,输出结果等于10000100；其结果与计算完全相同，因此证明是正确的。-12-第4章 编程下载和硬件测试4章编程下载与硬件测试编程下载COP2000.bitXCV200XCV200可编程逻辑芯片中。硬件测试与结果分析XCV200XCV200XCV200LED指示4.2所示。XCV200芯片引脚信号P103P102P101P100P97P96P95P94P87P86P85P84P82P81XCV200芯片引脚信号P103P102P101P100P97P96P95P94P87P86P85P84P82P81P80XCV200实验板K0：1K1：1K2：1K3：0K4：0K5：0K6：0K7：0K8：1K9：1K10：1K12：0K13：0K14：0-13-P79P223P222P221P220P218P217P216P125P110

第4章 编程下载和硬件测试K15：0利用表4.2中的输入参数作为输入数据，逐个测试输出结果，其中加数等于00000111，被除数等于00000111时，结果为E，如图4.1所示。图4.1硬件测试结果-14-参考文献参考文献EDA［M］.北京：清华大学出版社，2