ALU的设计与实现

/计算机组成原理试验试验四ALU的设计和实现专业班级：计算机科学和技术学号：0936008姓名：冯帆学号：0936036姓名：张琪试验地点：理工楼901试验四ALU的设计和实现一、试验目的1、理解ALU的功能和其在处理器中的地位。2、驾驭ALU的结构化（分模块、分层次）的设计方法。3、驾驭ALU的Verilog语言描述方法。二、试验内容1、学习ALU的设计方法。2、用Verilog语言采纳行为描述的方法完成74181的逻辑设计。3、用Verilog语言采纳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、试验仪器及设备：PC机+QuartusⅡ9.0+DE2-70四、试验步骤: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：moduleALU_74181( input[3:0]a, input[3:0]b, input[3:0]s,//选择信号inputm,//m=1执行逻辑运算，反之执行算术运算inputcn,//低位的进位或者是高位的借位output[3:0]f,outputaeqb,//输出，当a=b时输出1，当a！=b时，输出0outputc4,//对应74181的Cn+4outputp,//p函数outputg//g函数);reg[3:0]result;//定义中间变量result存放结果wire[4:0]temp;//定义中间变量temp存放选择变量s和mwirep0,p1,p2,p3;//进位产生信号wireg0,g1,g2,g3;//进位传递信号assigntemp={s,m};always@(temporaorb)begincase(temp)//case语句实现74181的32种功能 5'b00000:result=a; 5'b00001:result=!a; 5'b00010:result=a|b; 5'b00011:result=(!a|b); 5'b00100:result=(a|!b); 5'b00101:result=!a&b; 5'b00110:result=4'b1111;//补码运算，-1的补码是1111 5'b00111:result=0; 5'b01000:result=a+(a&!b); 5'b01001:result=!(a&b); 5'b01010:result=!b; 5'b01011:result=(a|!b)+(a&!b); 5'b01100:result=a^b; 5'b01101:result=a-b+4'b1111; 5'b01110:result=a&(!(b+4'b1111)); 5'b01111:result=a&!b; 5'b10000:result=a+a&b; 5'b10001:result=(!a)|b; 5'b10010:result=a+b; 5'b10011:result=!(a^b); 5'b10100:result=(a|!b)+a&b; 5'b10101:result=b; 5'b10110:result=a&b+4'b1111; 5'b10111:result=a&b; 5'b11000:result=a+a; 5'b11001:result=1; 5'b11010:result=(a|b)+a; 5'b11011:result=(a|!b); 5'b11100:result=(a|!b)+a; 5'b11101:result=(a|b); 5'b11110:result=a+4'b1111; 5'b11111:result=a; default:result=4'b0000; //默认状况，给result赋值为0 endcaseendassignf=result;//将中间变量result的值赋给f//片和片之间的超前进位assigng0=a[0]&b[0];//g函数是a和b的和assigng1=a[1]&b[1];assigng2=a[2]&b[0];assigng3=a[3]&b[0];assignp0=a[0]^b[0];//p函数是a和b的异或assignp1=a[1]^b[1];assignp2=a[2]^b[2];assignp3=a[3]^b[3];assignc4=g3|(g2&p3)|(g1&p2&p3)|(g0&p0&p1&p2)|(cn&p0&p1&p2&p3);//g3+p3g2+p3p2g1+p3p2p1g0+p3p2p1p0cnassignp=p0&p1&p2&p3;assigng=g3+g2&p3+g1&p2&p3+g0&p1&p2&p3;assignaeqb=(a==b)?1'b1:1'b0;endmodule4．编译并仿真得出结果。仿真结果如下图：五、试验思索。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，如和、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。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：处于整机同步的须要，这样可以保证ALU产生的结果能够适时的送到总线，以便数据进行正确的读写。74181ALU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函数实现了片和片之间的超前进位功能。4位之间采纳先行进位公式，每一位的进位公式可递推如下：G=AandBP=AxorBc1 =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+