算术及逻辑运算部件ALU
ALU
结论：当M=L、 Cn=1、 S3S2S1S0=1001时， ALU完成的功能是：
F=A加B
例3：当M=H、S3S2S1S0=1011时，ALU完成什么功能？ 解：
①Xi、Yi与Ai、Bi的关系如何？
P A B S A B S A B i
四位加法器 Cn 0 1 2 3 Cn+4
F0 F1 F2 F3
（2）M＝H
G13~G16输出均为1，位间不发生关系。
F0~F3为： Fi 1 Pi Gi 1 X i Y i X i Y i
X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2 X3 X3
F0
F1
F2
F3
ALU是以Xi、Yi 为输入的异或非门。
组间：
GⅢ
C12 = G12 + P12G11 + P12P11G10 + P12P11P10G9 + P12P11P10P9CⅡ
PⅢ
所以 CⅢ = GⅢ + PⅢ CⅡ
4）第4组进位逻辑式
组内： C13 = G13 + P13CⅢ C14 = G14 + P14G13 + P14P13CⅢ C15 = G15 + P15G14 + P15P14G13 + P15P14P13CⅢ
例2：当M=L、Cn=1、S3S2S1S0=1001时，ALU完成什么功能？
解：
Pi Ai Bi S 2 Ai Bi S 3 Ai Bi
①Pi=？ Gi=？
G A B i Ai Bi S0 Bi S1
•
i
i
P ②Xi=？
i X i Yi
二进制计算机采用的主要逻辑元件
主题：二进制计算机的主要逻辑元件一、概述二进制计算机是当今世界上最广泛使用的计算机系统。
它们采用二进制系统来表示和处理数据和指令。
在二进制计算机中，存在着一些主要的逻辑元件，它们在计算机的运行中起着至关重要的作用。
二、主要逻辑元件1. 逻辑门逻辑门是构成计算机的基本逻辑元件。
它们能够执行基本的逻辑运算，如与、或、非等。
常见的逻辑门有与门、或门、非门等。
在计算机中，逻辑门被组合成各种复杂的逻辑电路，用来实现各种功能。
2. 寄存器寄存器是一种用来存储数据的元件。
在计算机中，寄存器通常用来存储临时数据、位置区域或指令。
寄存器的大小通常是以位（bit）来表示的，如8位寄存器、16位寄存器等。
3. 存储器存储器是计算机中用来存储数据和指令的元件。
存储器分为内存和外存，内存通常指的是随机存取存储器（RAM），它用来存储正在运行的程序和数据；外存通常指的是磁盘或固态硬盘，它用来存储长期的数据和程序。
4. ALU（算术逻辑单元）ALU是计算机中用来执行算术和逻辑运算的部件。
它能够执行加、减、乘、除等算术运算，也能够执行与、或、非等逻辑运算。
5. 控制单元控制单元是计算机中用来控制指令执行顺序的部件。
它能够从存储器中取出指令，解码指令，并且控制各个部件的工作。
6. 时钟时钟是计算机中用来同步各个部件工作的部件。
它能够在一个固定的时间间隔内发出脉冲信号，使得各个部件按照统一的节拍工作。
7. 数据总线数据总线是计算机中用来传输数据的通道。
它能够同时传输多位数据，如8位、16位、32位等。
8. 位置区域总线位置区域总线是计算机中用来传输位置区域信息的通道。
它能够指示存储器中的特定位置。
9. 控制总线控制总线是计算机中用来传输控制信号的通道。
它能够传输各种控制信号，如读写信号、中断信号等。
三、总结二进制计算机中的主要逻辑元件包括逻辑门、寄存器、存储器、ALU、控制单元、时钟、数据总线、位置区域总线和控制总线。
它们共同构成了计算机的基本操作和功能。
计算器的组成及其主要部件
计算器的组成及其主要部件计算器是一种电子设备，用于进行数学计算和简单的数值处理。
它通常由多个主要部件组成，包括输入设备、控制单元、算术逻辑单元、存储器、显示器和电源等。
下面将详细介绍计算器的组成及其主要部件。
1.输入设备：计算器的输入设备用于接收用户输入的数值和操作符号。
最常见的输入设备是键盘，用户可以通过键盘输入数字、运算符和其他操作命令。
一些高级计算器还配备了触摸屏，用户可以直接在屏幕上输入。
此外，一些计算器还可通过外部接口与计算机或其他设备进行连接，实现更广泛的输入方式。
2.控制单元：控制单元是计算器的核心部分，负责控制和协调计算器的各个部件。
它接收来自输入设备的指令，将其转换为计算机可执行的指令，并传递给算术逻辑单元进行计算。
控制单元还负责管理存储器和显示器等其他部件的读写操作。
3.算术逻辑单元(ALU)：算术逻辑单元是计算器进行数学计算和逻辑运算的关键部件。
它可以执行加法、减法、乘法、除法等基本算术运算，以及逻辑运算和位运算等。
算术逻辑单元由一组电子门电路组成，能够对输入的数字和运算符进行处理，并输出计算结果。
4.存储器：存储器用于储存计算器运行过程中需要的数据和指令。
通常，计算器的存储器分为两种类型：临时存储器和永久存储器。
临时存储器用于储存中间结果和临时数据，一般随计算器的关闭而清空。
永久存储器（也称为内存）用于储存用户自定义的函数、常量和数据等，使其在计算器关闭后依然保留。
5.显示器：显示器用于显示计算器的输入和输出结果。
常见的显示器类型包括液晶显示器(LCD)和发光二极管(LED)显示器。
显示器通常分为一行或多行，可以显示数字、运算符和其他字符。
一些高级计算器还具有图形显示功能，可以显示图形和图表。
6.电源：计算器的电源部分通常由内置的电池或外部电源供应器提供电能。
计算器的电源可以是电池、太阳能电池、交流电适配器等。
电源为计算器提供所需的电能，使其能够正常运行。
除了上述主要部件，一些高级计算器还配备了其他附加功能，例如科学计算器可以进行复杂的科学计算，金融计算器可以进行财务和投资计算，编程计算器可以进行简单的程序编写和执行，图形计算器可以进行二维和三维图形绘制等。
ALU
F3 C2 X 3 Y 3
也就是说，电路输出F3～F0: 是X3～X0及Y3～Y0及低位进 位Cn全加和的反码
综上所述，对于正逻辑 M＝L时，ALU是以X3~X0、Y3~Y0及Cn为输入，输出 接一组反相器的4位快速加法器。
X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3
组间：
GⅡ
C8 = G8 + P8G7 + P8P7G6 + P8P7P6G5 + P8P7P6P5CI
PⅡ
所以 CⅡ = GⅡ + PⅡCI
3）第3组进位逻辑式
组内：
C9 = G9 + P9CⅡ C10 = G10 + P10G9 + P10P9CⅡ C11 = G11 + P11G10 + P11P10G9 + P11P10P9CⅡ
(2）Pi与Gi之间有什么关系？
Pi Gi ?
Pi • Gi ?
Pi Gi Pi Pi • Gi Gi
经证明同样有右边的等式成立
因此可以把Gi、Pi看成是以Xi、Yi为输入的进位 产生函数的“与”门和进位传递函数的“或”门。
证明：
Pi Gi Ai Bi S 2 Ai Bi S 3 Ai Bi S 0 Bi S1
A3 A2 A1 A0加B3 B 2 B1 B0加0001
(1111 A3 A2 A1 A0 )加(1111 B3B2 B1B0 )加0001
1111 [(A3 A2 A1 A0 )加(B3B2 B1B0 )]
F F F F 3 2 1 0 1111 [1111 ( A3 A2 A1 A位加法器，4位一组，分为4组：
74181ALU算术逻辑运算单元
多功能算术/逻辑运算单元(ALU) ,什么是多功能算术/逻辑运算单元(ALU)由一位全加器(FA)构成的行波进位加法器，它可以实现补码数的加法运算和减法运算。
但是这种加法/减法器存在两个问题：一是由于串行进位，它的运算时间很长。
假如加法器由n位全加器构成，每一位的进位延迟时间为20ns，那么最坏情况下，进位信号从最低位传递到最高位而最后输出稳定，至少需要n*2 0ns，这在高速计算中显然是不利的。
二是就行波进位加法器本身来说，它只能完成加法和减法两种操作而不能完成逻辑操作。
本节我们介绍的多功能算术/逻辑运算单元(ALU)不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能，而且具有先行进位逻辑，从而能实现高速运算。
1.基本思想一位全加器(FA)的逻辑表达式为F i＝A i⊕B i⊕C iC i＋1＝A i B i＋B i C i＋C i A i(2.35)我们将A i和B i先组合成由控制参数S0，S1，S2，S3控制的组合函数X i和Y i，然后再将Xi，Yi和下一位进位数通过全加器进行全加。
这样，不同的控制参数可以得到不同的组合函数，因而能够实现多种算术运算和逻辑运算。
图2.10ALU的逻辑结构原理框图因此，一位算术/逻辑运算单元的逻辑表达式为F i=X i⊕Y i⊕X n+iC n+i+1=X i Y i+Y i C n+i+C n+i X i上式中进位下标用n＋i代替原来以为全加器中的i，i代表集成在一片电路上的ALU的二进制位数。
对于4位一片的ALU，i＝0，1，2，3。
n代表若干片ALU组成更大字长的运算器时每片电路的进位输入，例如当4片组成16位字长的运算器时，n＝0，4，8，12。
2.逻辑表达式控制参数S0，S1，S2，S3分别控制输入A i 和B i ，产生Y和X的函数。
其中Y i是受S0，S1控制的A i和B i的组合函数，而X i是受S2，S3控制的A i和B i组合函数，其函数关系如表2.4所示。
运算器
运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或，以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行 二值代码的16种逻辑操作。
运算器是计算机中处理数据的功能部件。对数据处理主要包括数据的算术运算和逻辑数据的逻辑操作。因此, 实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能。
基本理论
数据 操作
运算方法 结构
运算器运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代 微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作 为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位， 则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位 （通常为6或8位），一个完整的数据分成若干段进行计算，称 为串/并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍 字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。
Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用 计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。
在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要的进步，美国人Herman Hollerith（18601929），根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域建立公司。
实现运算器的操作，特别是四则运算，必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能，也关系到运算 器的结构和成本。另外，在进行数值计算时，结果的有效数位可能较长，必须截取一定的有效数位，由此而产生 最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。在选择计算机的数的表示方式时，应当 全面考虑以下几个因素：要表示的数的类型（小数、整数、实数和复数）：决定表示方式，可能遇到的数值范围： 确定存储、处理能力。数值精确度：处理能力相关；数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低。
ALU(算术逻辑运算单元)的设计
EDA技术与应用实验报告(四)实验名称：ALU（算术逻辑运算单元）的设计姓名：陈丹学号：100401202班级：电信（2）班时间：2012.12.11南京理工大学紫金学院电光系一、实验目的1、学习包集和元件例化语句的使用。
2、学习ALU电路的设计。
二、实验原理1、ALU原理ALU的电路原理图如图1 所示，主要由算术运算单元、逻辑单元、选择单元构成。
图1ALU功能表如表1 所示。
表12、元件、包集在结构体的层次化设计中,采用结构描述方法就是通过调用库中的元件或者已经设计好的模块来完成相应的设计。
在这种结构体中，功能描述就像网表一样来表示模块和模块之间的互联。
如ALU 是由算术单元、逻辑单元、多路复用器互相连接而构成。
而以上三个模块是由相应的VHDL 代码产生的，在VHDL 输入方式下，如果要将三个模块连接起来，就要用到元件例化语句。
元件例化语句分为元件声明和元件例化。
1、元件声明在VHDL 代码中要引入设计好的模块，首先要在结构体的说明部分对要引入的模块进行说明。
然后使用元件例化语句引入模块。
元件声明语句格式：component 引入的元件（或模块）名port(端口说明);end component;注意：元件说明语句要放在“architecture”和“begin”之间。
2、元件例化语句为将引入的元件正确地嵌入到高一层的结构体描述中，就必须将被引用的元件端口信号与结构体相应端口信号正确地连接起来，元件例化语句可以实现该功能。
元件例化语句格式：标号名：元件名（模块名）port map（端口映射）；标号名是元件例化语句的唯一标识，且结构体中的标识必须是唯一的；端口映射分为：位置映射、名称映射。
位置映射指port map 中实际信号的书写顺序与component 中端口说明中的信号书写顺序一致，位置映射对书写顺序要求很严格，不能颠倒；名称映射指port map 中将引用的元件的端口信号名称赋予结构体中要使用元件的各个信号，名称映射的书写顺序要求不严格，顺序可以颠倒。
ALU运算器实验报告
计算机组成与系统结构算术逻辑部件实验报告姓名：同组成员：指导老师：实验时间：2012年3月28日一、实验名称：算术逻辑部件的设计二、实验设备：DE2-70仿真实验板三、实验原理：输入为两个4位操作数A和B，其中，核心部件是能够进行加减运算的加法器，加法器的输出除了和、差的结果Add-Result以外，还有进位标志外，还有进位标志Add-carry、零标志Zero、溢出标志Add-Overflow和标志符号Add-Sign。
在操作控制端ALUctr的控制下，在ALU中执行“加法”、“减法”、“按位或”、“带符号整数比较小于置1”和“无符号数比较小于置1”等运算，Result作为ALU运算的结果被输出，同时，零标志Zero和溢出标志Overflow也被作为ALU的结果标志信息输出。
ALU的操作由一个ALU操作控制信号生成部件产生的控制信号来控制，该控制信号逻辑的输入是ALUctr信号，，输出有4个控制信号：1、SUBctr用来控制ALU执行加法还是减法运算，当SUBctr=1时做减法，当SUBctr=0时做加法；2、OPctr用来控制选择哪种运算的结果作为Result的输出，因为11条目标指令中只有三种运算结果可能：加减，按位或和小于置1，所以OPctr需要两位；3、OVctr用来控制是否要进行溢出判断，当OVctr=1时，需要判断溢出，此时，若结果发生溢出，则溢出标志Overflow为1；当OVctr=0时，无须判断溢出，此时，即使结果发生溢出，溢出标志Overflow也不为1；4、SIGctr信号控制ALU是执行“带符号整数比较小于置于1”还是“无符号数比较小于置1”功能，当SIGctr=0，则执行“无符号数比较小于置1”，当SIGctr=1，则执行“带符号整数比较小于置1”。
ALUctr的三位编码及其对应的操作类型和ALU控制信号ALUctr<2:0> 操作类型SUBctr OVctr SIGctr OPctr<1:0> OPctr的含义0 0 0 addu 0 0 ×0 0 选择加法器的输出结果0 0 1 add 0 1 ×0 0 选择加法器的输出结果0 1 0 or ×0 ×0 1 选择”按位或”结果输出0 1 1 (未用)1 0 0 subu 1 0 ×0 0 选择加法器的输出结果1 0 1 sub 1 1 ×0 0 选择加法器的输出结果1 1 0 sltu 1 0 0 1 0 选择小于置位结果输出1 1 1 slt 1 0 1 1 0 选择小于置位结果输出四、实验结果：通过控制ALUctr、SUBctr、OVctr、SIGctr以及OPctr等控制端来选择需要进行的操作，通过拨动开关来设置我所需要的操作数，通过二极管的发光情况来记录对操作数计算后得到的结果，然后将实际结果与预期结果相匹配，将所有的操作进行过后，比较后发现实际结果均与预期结果全部一致，实验验证成功。
alu算术逻辑运算
alu算术逻辑运算ALU是指算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit），是计算机中的一个重要组件，用于进行算术运算和逻辑运算。
它是计算机中的“大脑”，负责处理数据和执行指令。
本文将从ALU的功能、原理、应用以及未来发展等方面进行探讨。
一、ALU的功能ALU是计算机中进行算术运算和逻辑运算的核心部件，具有以下主要功能：1. 算术运算：包括加法、减法、乘法、除法等基本算术运算，以及移位运算、递增递减等扩展算术运算。
2. 逻辑运算：包括与、或、非、异或等逻辑运算，用于处理数据的真假关系和逻辑判断。
3. 数据传输：将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器，用于数据的存储和传递。
二、ALU的原理ALU通过组合逻辑电路实现各种算术逻辑运算。
它由多个子模块组成，如加法器、减法器、移位器、逻辑门等。
其中，加法器是最基本的子模块之一，采用二进制补码表示方式进行运算。
而逻辑门则通过布尔逻辑运算来实现逻辑运算。
ALU的输入包括运算数和控制信号，输出为运算结果和标志位，用于表示运算的状态。
三、ALU的应用ALU广泛应用于计算机的各个领域，如中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、数字信号处理器（DSP）等。
在CPU中，ALU是执行指令的关键部件，负责处理算术运算和逻辑运算。
在GPU中，ALU用于并行计算和图形处理，提高图形渲染的速度和效果。
在DSP中，ALU用于音频、视频等数字信号的处理和编解码。
四、ALU的未来发展随着计算机技术的不断发展，ALU也在不断演化和进步。
未来的ALU 可能具有更高的运算速度、更低的功耗和更强的并行计算能力。
同时，随着人工智能、大数据等技术的兴起，ALU也将面临更多的挑战和应用场景。
例如，深度学习中需要进行大量的矩阵运算和向量运算，未来的ALU可能会针对这些应用进行优化和改进。
ALU作为计算机中的核心部件，承担着算术运算和逻辑运算的重要任务。
它通过组合逻辑电路实现各种运算，广泛应用于计算机的各个领域。
微型计算机中运算器的主要功能
微型计算机中运算器的主要功能微型计算机的运算器是计算机中最关键的部分之一，它是用来完成各种数学运算的重要部件，功能十分强大。
运算器主要包括ALU（算术逻辑单元）、寄存器、时钟、控制器等组成部分。
下面将详细介绍微型计算机中运算器的主要功能。
1. 算术运算功能：运算器最主要的功能就是算术运算，包括加减乘除四则运算以及求余数等。
这些运算是计算机处理数据的基础，而运算器正是完成这些运算的核心部分。
2. 逻辑运算功能：运算器还可以完成逻辑运算，包括与、或、非等逻辑运算。
逻辑运算可以控制计算机的执行流程，例如判定语句的真假等，它是计算机中控制指令执行的一项非常重要的功能。
3. 数据移位功能：运算器还可以进行数据移位操作，包括向左移位和向右移位。
这项功能在进行位运算时非常实用，可以快速的使数据进行位操作，提高了数据处理的效率。
4. 数据比较和转移功能：运算器还可以进行数据比较和数据转移等操作。
数据比较可以帮助计算机进行条件判定，比如在执行if语句时，可以比较两个数据的大小来进行判断。
而数据转移可以将数据从一个位置转移到另一个位置，是计算机进行数据处理时的必备工具。
5. 浮点数运算功能：运算器还可以进行浮点数运算，包括浮点数加减乘除等运算。
浮点数是一种十进制数表示方式，用于表示非整数，这项功能在科学计算、图像处理等领域非常重要。
总之，微型计算机中运算器的功能是非常强大和多样化的。
无论是进行基本的算术运算，还是进行浮点数运算，都需要运算器的支持。
因此，对于学习计算机的人来说，掌握运算器的相关知识是非常重要的，它能够帮助我们更好地理解和掌握计算机系统的运行机制，提高我们的编程能力和计算能力。
cpu包括
cpu包括哪些部分一、概念CPU全称叫中央处理器，包含有运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）三大部件。
它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。
中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（Control Unit）。
它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
二、CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。
1、逻辑部件英文Logic components；运算逻辑部件。
可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。
2、寄存器寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。
通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。
3、控制部件英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。
微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。
中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。
三、cpu主要功能1、处理指令这是指控制程序中指令的执行顺序。
程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。
2、执行操作一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一系列的操作来实现的。
第二章：逻辑运算与ALU
第二章逻辑运算与ALU2. 1 逻辑运算1 逻辑非逻辑非也称求反。
对某数进行逻辑非运算，就是按位求它的反，常用变量上方加一横来表示。
一位二进制数的逻辑非运算规则为：设一个数x表示成：x = x0 x1x2 (x)n对x的逻辑非，则有：z = z0 z1z2… zn【例】ｘ1＝01001011,ｘ2＝11110000,求ｘ1，ｘ2的逻辑非[解:]逻辑非ｘ1＝10110100逻辑非ｘ2＝000011112 逻辑或对两个数进行逻辑或，就是按位求它们的“或”，所以逻辑或又称逻辑加，常用记号“V“或“+”来表示。
一位二进制数的逻辑加运算规则为：x = x0 x1x2…x ny = y0 y1y2…y n若xⅤy = z0 z1 z2 …z n则z i= x iⅤy i (i = 0，1，2，…，n) 【例】ｘ＝10100001,ｙ＝10011011, 求ｘ∨ｙ。
1 0 1 0 0 0 0 1 ｘ∨ 1 0 0 1 1 0 1 1 ｙ1 0 1 1 1 0 1 1 ｚ即ｘ∨ｙ＝ 101110113 逻辑与对两数进行逻辑与，就是按位求它们的“与”，所以逻辑与又称逻辑乘，常用记号“∧”或“·”来表示。
一位二进制数的逻辑乘规则为：x = x0 x1x2…x ny = y0 y1y2…y n则z i= x i∧y i (i = 0，1，2，…n)【例】ｘ＝10111001,ｙ＝11110011,求x∧ｙ。
1 0 1 1 1 0 0 1 ｘ∧ 1 1 1 1 0 0 1 1 ｙ1 0 1 1 0 0 0 1 ｚ即ｘ∧ｙ＝ 101100014 逻辑异或对两数进行逻辑异或就是按位求它们的模2和，所以逻辑异或又称按位加，常用记号“”来表示。
一位二进制数的逻辑异或运算规则为：x = x0x1x2…x ny = y0y1y2…y n若ｘ和ｙ的逻辑异为ｚ：ｘ⊕ｙ＝ｚ＝ｚ0ｚ1ｚ2…ｚn则ｚi＝ｘi⊕ｙi, (i＝0,1,2,…,n) 【例】ｘ＝10101011,ｙ＝11001100,求ｘ⊕ｙ。
【FPGA】verilog实现ALU（算数逻辑单元）
【FPGA】verilog实现ALU（算数逻辑单元）算术逻辑单元(arithmetic and logic unit) 是能实现多组算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路，简称ALU。
module ALU(A, B, Cin, Sum, Cout, Operate, Mode);input [3:0] A, B; // two operands of ALUinput Cin; //carry in at the LSBinput [3:0] Operate; //determine f(.) of sum = f(a, b)input Mode; //arithmetic(mode = 1'b1) or logic operation(mode = 1'b0)output [3:0] Sum; //result of ALUoutput Cout; //carry produced by ALU operation// carry generation bits and propogation bits.wire [3:0] G, P;// carry bits;reg [2:0] C;reg Cout;// function for carry generation:function gen;input A, B;input [1:0] Oper;begincase(Oper)2'b00: gen = A;2'b01: gen = A & B;2'b10: gen = A & (~B);2'b11: gen = 1'b0;endcaseendendfunction// function for carry propergation:function prop;input A, B;input [1:0] Oper;begincase(Oper)2'b00: prop = 1;2'b01: prop = A | (~B);2'b10: prop = A | B;2'b11: prop = A;endcaseendendfunction// producing carry generation bits;assign G[0] = gen(A[0], B[0], Operate[1:0]);assign G[1] = gen(A[1], B[1], Operate[1:0]);assign G[2] = gen(A[2], B[2], Operate[1:0]);assign G[3] = gen(A[3], B[3], Operate[1:0]);// producing carry propogation bits;assign P[0] = prop(A[0], B[0], Operate[3:2]);assign P[1] = prop(A[1], B[1], Operate[3:2]);assign P[2] = prop(A[2], B[2], Operate[3:2]);assign P[3] = prop(A[3], B[3], Operate[3:2]);// producing carry bits with carry-look-ahead;always @(G or P or Cin, Mode)beginif (Mode) beginC[0] = G[0] | P[0] & Cin;C[0] = G[0] | P[0] & Cin;C[1] = G[1] | P[1] & G[0] | P[1] & P[0] & Cin;C[2] = G[2] | P[2] & G[1] | P[2] & P[1] & G[0] | P[2] & P[1] & P[0] & Cin;Cout = G[3] | P[3] & G[2] | P[3] & P[2] & G[1] | P[3] & P[2] & P[1] & G[0] | P[3] & P[2] & P[1] & P[0] & Cin;endelse beginC[0] = 1'b0;C[1] = 1'b0;C[2] = 1'b0;Cout = 1'b0;endend// calculate the operation results;assign Sum[0] = (~G[0] & P[0]) ^ Cin;assign Sum[1] = (~G[1] & P[1]) ^ C[0];assign Sum[2] = (~G[2] & P[2]) ^ C[1];assign Sum[3] = (~G[3] & P[3]) ^ C[2];endmodulemodule ALU(A, B, Cin, Sum, Cout, Operate, Mode);input [3:0] A, B; //输⼊信号：两个四位的操作对象A、Binput Cin; //输⼊进位信号input [3:0] Operate; //输⼊信号，决定输出sum的操作input Mode; //算数操作(mode = 1'b1) 或者逻辑操作(mode = 1'b0)output [3:0] Sum; //输出ALU计算结果output Cout; //输出ALU操作产⽣的进位信号wire [3:0] G, P; //进位⽣成位和增长位reg [2:0] C;reg Cout;function gen; //进位信号⽣成函数input A, B; //函数输⼊信号A、Binput [1:0] Oper; //函数输⼊操作信号Operbegincase(Oper)2'b00: gen = A; //⽣成A信号2'b01: gen = A & B; //⽣成A和B相与信号2'b10: gen = A & (~B); //⽣成A和~B相与信号2'b11: gen = 1'b0; //⽣成低电平信号endcaseendendfunctionfunction prop; //进位信号增长函数input A, B; //函数输⼊信号A、Binput [1:0] Oper; //函数输⼊操作信号Operbegincase(Oper)2'b00: prop = 1; //返回⾼电平信号2'b01: prop = A | (~B); //返回A和~B相或信号2'b10: prop = A | B; //返回A和B相或信号2'b11: prop = A; //返回A信号endcaseendendfunction//产⽣进位⽣成位信号assign G[0] = gen(A[0], B[0], Operate[1:0]);assign G[1] = gen(A[1], B[1], Operate[1:0]);assign G[1] = gen(A[1], B[1], Operate[1:0]);assign G[2] = gen(A[2], B[2], Operate[1:0]);assign G[3] = gen(A[3], B[3], Operate[1:0]);//产⽣进位增长位信号assign P[0] = prop(A[0], B[0], Operate[3:2]);assign P[1] = prop(A[1], B[1], Operate[3:2]);assign P[2] = prop(A[2], B[2], Operate[3:2]);assign P[3] = prop(A[3], B[3], Operate[3:2]);//产⽣带进位提前的进位always @(G or P or Cin, Mode)beginif (Mode) beginC[0] = G[0] | P[0] & Cin;C[1] = G[1] | P[1] & G[0] | P[1] & P[0] & Cin;C[2] = G[2] | P[2] & G[1] | P[2] & P[1] & G[0] | P[2] & P[1] & P[0] & Cin;Cout = G[3] | P[3] & G[2] | P[3] & P[2] & G[1] | P[3] & P[2] & P[1] & G[0] | P[3] & P[2] & P[1] & P[0] & Cin;endelse beginC[0] = 1'b0;C[1] = 1'b0;C[2] = 1'b0;Cout = 1'b0;endend//计算操作结果assign Sum[0] = (~G[0] & P[0]) ^ Cin;assign Sum[1] = (~G[1] & P[1]) ^ C[0];assign Sum[2] = (~G[2] & P[2]) ^ C[1];assign Sum[3] = (~G[3] & P[3]) ^ C[2];endmodule。
算术运算单元ALU的设计 实现几种基本功能
算术运算单元ALU的设计设计要求：（1）设计4位ALU，可实现8种算术逻辑运算。
a.进行两个四位二进制数的运算。
b.算术运算：A+B,A-B,A+1,A-1c.逻辑运算：A and B,A or B,A not, A xor B（2）4位输入A3—A0、B3---B0用开关设置输入。
（3）8种算术逻辑运算通过3位功能选择开关选择某一种功能。
（4）运算结果用两个数码管显示和2个发光管显示（有一个显示进借位、有一个显示溢出）。
系统框图：设计结构：设计分为输入控制模块、输出选择模块、加减运算模块及逻辑运算模块等部分。
在输入控制部分，利用锁存器，使A和B信号通过脉冲控制同时送入运算电路。
在输出控制模块，选择需要输出的显示信号。
加减运算电路实现加减运算功能。
逻辑运算电路实现逻辑运算功能。
输入控制加减运算加减输出显示输出选择控制逻辑电路逻辑显示（总电路图）功能的实现原理：该电路是是实现四种算术运算和四种逻辑运算功能的算术运算单元电路。
主要是由算术运算模块、逻辑运算模块、输入控制模块和输出控制模块几部分组成。
通过时序输入控制实现信号A,B同时送入到运算电路中进行运算，这样能解决非时序信号先后输入进行运算时产生的错误。
信号送入运算单元后，逻辑运算和算术运算是同时进行的，只是在不同的模块中进行的而已。
而四种算术运算则是通过控制端来进行先后选择运算的。
在输出时只显示一种功能则是通过5片74LS244（三态门芯片）和一些门电路通过控制信号f3,f2,f1置不同的数进行控制的选择输出的，数码显示管显示的算术运算的结果，小灯泡则是用来显示逻辑运算的结果。
f3f2f1置数111、000、001、010、011、100、101、110分别控制的输出显示是A+B,A-B,A与B,A或B,A异或B，非A，A+1，A-1.运算结果是同时被送出的，当f3f2f1被置某一个数时，对应的芯片244的使能端有效，那么相应的功能就被出去显示。
alu单元结构-概述说明以及解释
alu单元结构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:ALU（算术逻辑单元）是计算机中的一个重要组成部分，负责执行大多数的算术和逻辑运算。
它是计算机中的“心脏”，承担着处理数据的重要任务。
ALU单元结构的设计和功能直接影响着计算机整体的性能和效率。
本文将主要介绍ALU单元的结构、功能及其在计算机中的应用。
通过深入了解ALU单元，读者可以更好地理解计算机的运作原理以及数据处理过程。
同时，也将探讨ALU单元在未来的发展趋势，展望其在计算机领域中的重要作用和发展前景。
1.2 文章结构文章结构部分是为了帮助读者更好地了解整篇文章的组织和内容安排。
本文的结构包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分将介绍文章的背景和主题，包括概述、文章结构和目的。
在正文部分，将详细介绍ALU单元的结构、功能和应用。
结论部分将总结ALU单元的重要性，展望其未来发展，并给出最终的结论。
通过这样清晰的文章结构，读者可以更好地理解文章的内容和逻辑脉络，从而更加深入地了解ALU单元的重要性和应用价值。
1.3 目的本文的主要目的是探讨ALU单元结构在现代计算机系统中的重要性和应用。
通过深入分析ALU单元的介绍、功能和应用，我们将帮助读者更好地理解ALU单元在计算机系统中的作用和意义。
我们希望通过本文的研究，读者可以对ALU单元有一个更全面的认识，为他们在学习和应用计算机技术时提供有益的参考和指导。
同时，我们也希望可以展望ALU 单元未来的发展方向，为计算机科技的进步做出贡献。
2.正文2.1 ALU单元介绍ALU（算术逻辑单元）是中央处理器（CPU）中的一个重要部分，它负责执行各种算术和逻辑运算。
ALU包含一组逻辑门和寄存器，用于执行加法、减法、逻辑运算等操作。
其结构通常包括输入端口、输出端口和控制信号线。
ALU单元通常由几个主要部分组成，包括运算器、寄存器和控制单元。
运算器负责执行算术运算，寄存器用于存储操作数和结果，控制单元负责控制各个部分的操作顺序和条件。
算术逻辑运算部件
并行化
为了提高计算效率，算术逻 辑部件正在向并行化方向发 展，通过多核、多线程等技 术实现并行计算。
智能化
算术逻辑部件与人工智能技 术的结合，可以实现更智能 化的计算，例如自适应计算、 神经网络计算等。
算术逻辑运算部件的未来展望
更高效能
随着技术的不断进步，算术逻辑部件的计算能力将得到进 一步提升，能够处理更复杂、更高精度的计算任务。
集成电路时代
随着集成电路技术的发展，算术逻辑运算部件被集成在一块芯片上， 进一步提高了运算速度和可靠性。
现代计算机中的算术逻辑运算部件
现代计算机中的算术逻辑运算部件通常采用超大规模集成电路（VLSI） 技术实现，具有更高的集成度和运算性能。
02 算术逻辑运算部件的组成
加法器
总结词
加法器是算术逻辑运算部件中的基本组成之一，用于执行加法运算。
逻辑运算器
总结词
逻辑运算器是算术逻辑运算部件中的基 本组成之一，用于执行逻辑运算。
VS
详细描述
逻辑运算器用于实现逻辑运算，如与、或 、非等操作。它通常由多个门电路组成， 如AND门、OR门和NOT门等。逻辑运算 器在计算机中广泛应用于各种逻辑运算和 位操作任务，如位与、位或、位异或等操 作。
03 算术逻辑运算部件的工作原理
功能
算术逻辑运算部件接收来自寄存器或 内存的数据，执行相应的运算，并将 结果输出到寄存器或内存中。
算术逻辑运算部件的重要性
1 2
实现计算机的基本功能
算术逻辑运算部件是计算机中实现计算和数据处 理的核心部件，没有它，计算机将无法完成基本 的算术和逻辑运算任务。
提高计算机性能
高效的算术逻辑运算部件能够提高计算机的运算 速度和性能，从而提升计算机的整体表现。
冯诺依曼计算机的五大部件工作过程
冯诺依曼计算机的五大部件工作过程冯诺依曼计算机是由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成的，它们共同协作完成计算机的工作。
下面将详细介绍这五大部件的工作过程。
一、存储器存储器是计算机的核心部件之一，用于存储数据和指令。
计算机在工作过程中，需要将数据和指令从存储器中读取出来，并将结果写回存储器。
存储器分为主存储器和辅助存储器两种。
主存储器是计算机中运行程序和存储数据的地方，它具有读写的功能。
辅助存储器则用于长期存储数据，如硬盘、光盘等。
二、运算器运算器是计算机的计算和逻辑控制部件，负责对数据进行各种运算操作。
运算器主要包括算术逻辑单元（ALU）和寄存器。
ALU是计算机进行算术运算和逻辑运算的核心部件，它能够对数据进行加减乘除等运算操作，并进行逻辑判断。
寄存器用于存放运算器中的数据，包括操作数和运算结果等。
三、控制器控制器是计算机的指令控制和时序控制部件，负责控制计算机的工作流程。
控制器从存储器中读取指令，并根据指令的要求控制运算器和存储器的操作。
控制器还负责处理异常情况，如错误指令和中断等。
四、输入设备输入设备用于将外部的数据和指令输入到计算机中。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等。
当我们在键盘上输入数据时，输入设备会将数据传输给存储器或运算器进行处理。
五、输出设备输出设备用于将计算机处理后的结果显示或输出到外部。
常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。
当计算机完成数据处理后，输出设备会将结果显示出来或输出到外部介质中。
冯诺依曼计算机的工作过程如下：1. 控制器从存储器中读取指令，并解析指令的操作码和操作数。
2. 控制器根据指令的要求，将操作数从存储器中读取出来，并将其传输给运算器。
3. 运算器根据指令的操作码，对操作数进行相应的运算操作，如加减乘除等。
4. 运算器将运算结果存放在寄存器中。
5. 控制器根据指令的要求，将运算结果写回存储器中的指定位置。
6. 输入设备将外部数据输入到存储器或运算器中。
实验2运算器ALU实验
实验2 运算器ALU实验运算器ALU是CPU的主要部件，数据处理的中心。
ALU可以实现算术加减运算和逻辑“与”、“或”、“非”运算，本实验设计8位ALU，为完成8为ALU，我们从1位全加器设计开始，经1位加法器，4位加法器，4位加减法器，到4位算术逻辑运算器ALU；再由4位ALU到8位ALU。
2.1 1位加法器设计1位加法器是构成多位加法器的基础，通过1位加法器可以组成4位加法器，4位减法器。
因此，本实验首先从1位全加器开始。
2.1.1 实验题目1位全加器。
2.1.2 实验内容设计1位全加器，并通过输入波形图验证。
2.1.3 实验目的与要求通过本实验使学生进一步掌握电子电路的设计方法，熟悉CAD软件QuartusII的使用，掌握使用QuartusII仿真来验证电路设计正确性的方法。
2.1.4 实验步骤设置本实验的项目所在路径，命名项目的名称为1ALU，顶层文件的名称也自动命名为1ALU。
如在文件夹C:\eda\ALU下新建工程1ALU，如图2-1 新建工程1ALU所示。
图2-1 新建工程1ALU直接点击next，直到器件选择对话框，如图2-2所示。
这里根据最终使用的FPGA器件选择一种器件，如Cyclone下的EP1C3T144C8，如果不下载到FPGA上进行实验，选择哪一种器件都无所谓。
图2-2 实现器件选择指定设计、仿真和时序验证工具，如图2-3所示，点击next，完成工程建立。
图2-3 工具选择设计1位全加器FA1位全加器是指可以实现两个1位二进制数和低位进位的加法运算逻辑电路（半加器不包括低位进位C i-1）。
它依据的逻辑表达式是：进位C i=A i B i+A i C i-1+B i C i-1，和S i=A i⊕B i⊕C i-1（本算式推导过程可以在教材中找到）。
其中A i和B i是两个1位二进制数，C i代表向高位的进位，C i-1代表低位来的进位，S i代表本位和。
依据上述逻辑表达式，设计实现1位全加的电路图。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
總線
總線系統把電腦內的不同部件互相連接
5.3 主記憶體
主記憶體
可直接存取中央處理器的數據 用來存貯中央處理器將會處理的數據和指令 兩種主要的類型和它們的功能：
主要類型 功能
暫時存貯即將由中央處理器處理的指令和數據 存貯永久的資訊，用戶不能把資訊修改或刪除
隨機存取記憶體 唯讀記憶體
5.3 主記憶體
控制部件 (CU)
解譯指令並依指令內容來指示算術及邏輯運算部件如 何執行運算
5.2 中央處理器
算術及邏輯運算部件和控制部件聯合執行加法指令。
5.2 中央處理器
機器週期
中央處理器執行一個指令的過程，就是一個機器週期。
一個機器週期的操作步驟
5.2 中央處理器
機器週期
步驟 說明
從主記憶體中取得程序的指令或數據 將指令解譯為電腦能明白的命令
隨機存取記憶體 (RAM)
是易失性的 用作暫存數據和指令 量度單位：字節 (B) 、千字節(KB) 、百萬字節(MB)和 十億字節(GB)
隨機存取記憶體
在母板上的隨機存取記憶體
5.3 主記憶體
唯讀記憶體 (ROM)
又稱為韌體 非易失性的 用來永久存貯引導程序及基本輸入輸出系統 (BIOS) 引導程序是載入和啟動作業系統的必須程序 BIOS 是用來管理中央處理器和各輸入輸出設備之間的 據傳輸工作
連接電腦系統中不同元件的佈線 總線的種類和功能：
種類 功能
傳輸數據和指令 傳輸數據的來源位址和目的地位址 指示數據傳輸的方向及協調數據傳輸的時序
數據總線 位址總線 控制總線
總線的大小決定於每次可以傳輸多少個位元的數據
5.2 中央處理器
總線
總線系統把電腦內的不同部件互相連接
5.2 中央處理器
例子
98 + 11 運算：加法 數值 1 : 98 數值 20 : 11
1. 讀取指令 2. 解碼指令
3. 執行指令 4. 存貯結果
執行命令 將結果寫入主記憶體
98 + 11 = 109 109
算術及邏輯運算部件負責執行指令的步驟。 控制部件負責讀取、解碼和存貯的步驟。
5.2 中央處理器
時鐘頻率和字長
影響中央處理器性能強弱的兩個主要因素 中央處理器每秒出現的機器週期數量便是其時鐘頻率 中央處理器的字長愈大，可同時處理的數據便愈多
時鐘頻率和字長的單位和定義
單位 時鐘頻率 字長
赫茲 (Hz) 位元
定義
中央處理器執行指令的速度 中央處理器一次可處理的數據位元數量
5.2 中央處理器
總線
5.1 電腦系統的元件
系統部件
電腦中被稱為主機的部分 包括電路板、電源和存貯設備
母板
系統部件的主電路板 設有專供中央處理器和記憶體晶片的插座、用作安裝 額外電路板的擴展槽，以及連接電腦和部件的電路系 統
5.1 電腦系統的元件
系統部件
軟碟機
光碟機
顯示卡
中央處理器 母板 記憶體 硬碟機
5.3 主記憶體
பைடு நூலகம்
唯讀記憶體 (ROM)
又稱為韌體 非易失性的 用來永久存貯引導程序及基本輸入輸出系統 (BIOS) 引導程序是載入和啟動作業系統的必須程序 BIOS 是用來管理中央處理器和各輸入輸出設備之間的 據傳輸工作
5.1 電腦系統的元件
周邊設備
與系統部件連接的硬件 可分為輸入設備、輸出設備、存貯設備和通訊設備
5.1 電腦系統的元件
周邊設備
顯示器
數據機
掦聲器 掃描器
鍵盤
滑鼠
數碼攝錄機 打印機
麥克風
5.1 電腦系統的元件
周邊設備
顯示器
數據機
掦聲器 掃描器
鍵盤
滑鼠
數碼攝錄機 打印機
麥克風
5.2 中央處理器
中央處理器 (CPU)
它主要的工作是執行電腦程序的指令和處理數據來完 成指定的工作 它的處理數據能力決定了電腦的整體性能
中央處理器的角色
5.2 中央處理器
算術及邏輯運算部件 (ALU)
功能是執行算術和邏輯運算 算術運算包括加、減、乘、除 邏輯運算涉及兩個數據的比較，並判斷邏輯語句的真 假 運算結果一般存貯在稱為累加器的寄存器內 寄存器是一些高速的記憶體，用來暫存指令和數據