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
2、 。三、实验仪器及设备：PC 机+ Quartu s 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
3、借位output 3:0 f, output aeqb, /输出，当 a=b 时输出 1，当 a！=b 时，输出 0output c4, /对应 74181 的 Cn+4output 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) begincase (temp) /ca
4、se 语句实现 74181 的 32 种功能5b00000: result=a; 5b00001: result=!a;5b00010: result=a|b;5b00011: result=(!a|b); 5b00100: result=(a|!b);5b00101: result=!a5b00110: result=4b1111;/补码运算，-1 的补码是 11115b00111: result=0;5b01000: result=a+(a5b01001: result=!(a5b01010: result=!b;5b01011: result=(a|!b)+(a5b01100: resu
5、lt=ab;5b01101: result=a-b+4b1111;5b01110: result=a5b01111: result=a5b10000: result=a+a5b10001: result=(!a)|b;5b10010: result=a+b;5b10011: result=!(ab);5b10100: result=(a|!b)+a5b10101: result=b;5b10110: result=a5b10111: result=a5b11000: result=a+a;5b11001: result=1;5b11010: result=(a|b)+a;5b11011: re
6、sult=(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 0endcase 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 /g 函数是 a 与 b 的与assign g1=a1assign g2=a2assign g3=a3assign p0=a0b0; /p 函数是 a 和 b
7、 的异或assign p1=a1b1;assign p2=a2b2;assign p3=a3b3;assign c4=g3|(g2/g3 + p3g2 + p3p2g1 + p3p2p1g0 + p3p2p1p0cnassign p=p0 assign g=g3+g2assign aeqb=(a=b)?1b1:1b0;endmodule4编译并仿真得出结果。仿真结果如下图：五、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
8、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
9、 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 + p2p1p0c0)= g3 + p3g2 + p3p2g1 + p3p2p1g0 + p3p2p1p0c0 其中 G 称为进位发生输出，P 称为进位传送输出。这样，对一片 ALU 来说，可有三个进位输出。C4 是本片(组)的最后进位输出。逻辑表达式表明，这是一个先行进位逻辑，可以实现高速运算。
