实验三 ALU与ALU控制器设计.docx

实验三 ALU与ALU控制器设计 姓名：葛鑫 学号：091220033 邮箱：xingenju@163.com 一、实验目的 1、了解并掌握ALU的工作原理和ALU所要完成的算术运算与逻辑运算。 2、掌握ALU控制器的工作原理和作用。 二、实验设备 1、装有Quartus II的计算机一台。 2、Altera DE2-70开发板一块。 三、实验任务 1、用Verilog HDL语言戒VHDL 语言来编写，实现MIPS32位的ALU及ALU的控制器，使其能够支持基本的指令。 2、用Verilog HDL语言戒VHDL 语言来编写，实现RAM32位的ALU及ALU的控制器，使其能够支持基本的指令。 四、实验原理与电路图 1、MIPS中ALU控制器的原理 在MIPS中，ALU可执行的功能与操作如下表，需要三位控制信号： 除运算结果result_final，ALU还输出信号zero, less，overflow， carry分别表示运算结果是否为0，两数比较是大还是小，是否有溢出，以及是否有进位，以用于某些判断指令。 为提高ALU的控制效率，ALU采用两级控制，即通过ALU控制器实现对ALU的控制，而不是直接控制ALU。 ALU控制逻辑图： AluOp : 4位 最低位为控制加减法以及前导0还是前导1，有误无需额外译码 倒数第二位控制作有无符号判定，有无符号数判定大小逻辑不同（less标志） 两个有符号数比较，V异或S的结果为less 两个无符号数比较，C的结果为less 2、ARM中ALU控制器的原理 AluOp AluCtr 指令 功能 0 0 0 0 1 0 1 ADD 加法运算 0 0 0 1 1 0 1 ADC 带进位的加法运算 0 0 1 0 1 0 1 SUB 减法运算 0 0 1 1 1 0 1 SBC 带进位的减法运算 0 1 0 0 0 0 0 BIC 位清除指令 0 1 0 1 0 0 1 AND 与操作 0 1 1 0 0 1 0 ORR 或操作 0 1 1 1 0 1 1 EOR 异或操作 1 0 0 0 1 0 0 CMN 负数比较 1 0 0 1 1 0 0 TST 位测试指令 1 0 1 0 1 0 0 CMP 比较指令 1 0 1 1 1 0 0 TEQ 相等测试指令 ADD：若ADD r0, r1, r2 ，则r0 = r1+r2； ADC：若ADC r0, r1, r2 ，则r0 = r1+r2+C； SUB：若SUB r0, r1, r2 ，则r0 = r1-r2； SBC：若SBC r0, r1, r2 ，则r0 = r1+r2+C-1； BIC：A中值与B中值的反码进行与操作； AND：按位与操作； ORR：按位或操作； EOR：按位异或操作； CMN：A加B，若小于零则结果为1，不保存减的结果； TST：A和B进行按位与操作，全零则结果为1； CMP：A减B，若小于零则结果为1，不保存减的结果； TEQ：A和B进行按位异或操作，全零则结果为1。 五、实验步骤 （一）Ex1（MIPS的ALU及ALU控制器） 1、变量名列表 输出变量名 变量名类型 变量名含义说明 定义该变量的程序模块名 Operand_A 32位input 第一个操作数 mips_alu Operand_B 32位input 第二个操作数 mips_alu AluOp 4位input 控制变量 mips_alu Result_final 32位output 输出结果 mips_alu Carry 1位output 进位 mips_alu Zero 1位output 判零 mips_alu Overflow 1位output 判断溢出 mips_alu Less 1位output 比较两数大小 mips_alu result 32位reg数组 用于存放结果的临时变量 mips_alu i 1位integer 用于计数的临时变量 mips_alu count 32位reg 用于存放扩展位的临时变量 mips_alu extendA，extendB 32位reg 用于存放扩展后数据的临时变量 mips_alu tempA，tempB 32位reg 用于存放数据的临时变量 mips_alu temp 33位reg 用于存放数据经过加法器运算后的临时变量 mips_alu Carry_f 1位reg 用于存放数据经过加法器运算后的进位 mips_alu Sign 1位reg 用于存放数据经过加法器运算后的符号位 mips_alu 2、代码