多功能算术逻辑单元(ALU)设计

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eda课程设计—算术逻辑运算单元 (1)

燕山大学EDA课程设计报告书题目：算术运算逻辑单元ALU 姓名：班级：学号：成绩：一、设计题目及要求题目名称：算术运算单元ALU要求：1．进行两个四位二进制数的运算；2．算术运算：A+B, A-B, A×B；3．逻辑运算：A and B, A or B, A not, A xor B；4. 用数码管显示算术运算结果，以LED指示灯显示逻辑运算结果。

二、设计过程及内容（包括○1总体设计的文字描述，即由哪几个部分构成的，各个部分的功能及如何实现方法；○2主要模块比较详尽的文字描述，并配以必要的图片加以说明，但图片数量无需太多）1.整体设计思路(1）根据设计要求将题目划分为五个模块。

包括两个逻辑运算模块，两个算术运算模块，和一个控制模块。

其中逻辑运算模块为A and B和A or B，A not和A xor B；算术模块为A±B，A×B。

（2）因为需要进行四位二进制数的运算，因此用A4,A3,A2,A1表示四位二进制数A，用B4,B3,B,B1表示四位二进制数B，用C4,C3,C2,C1表示四位二进制数C。

其中A，B为输入，C为输出。

2．分模块设计（1）A+B和A-B模块A+B可以直接通过74283 两个四位二进制数加法器实现。

A-B可以看作A+（-B），即A加B的补码来实现。

同时再设计一个转换控制端M。

M=0时实现A+B，M=1时实现A-B。

最后再设计一个总的控制端K1，K1=1时模块正常工作，K1=0时不工作。

做加法时，C0为进位输出，C0输出1表示有进位，做减法时，C0为借位输出，C0输出1表示有借位。

通过74283五位输出，进入译码器将五位变成八位输出，在通过数码管显示。

实现A+B,例：0111＋0111＝1110（7＋7＝14）则数码管应显示14。

实现A-B 例：1100－0110＝0110（12－6＝6）则数码管显示06。

A+B，A-B总原理图如下：A+B，A-B分原理图如下：译码器原理图如下：扫描电路原理图如下：A+B仿真图：A-B仿真图：（2）AXB模块AXB模块采用乘数累加被乘数的次的原理来实现乘法功能。

13052007_王瑞琦_运算单元ALU的设计及实现

中央民族大学计算机组成原理实验报告运算单元ALU的设计及实现目录一、实验目的 (3)一、实验设备 (3)二、实验要求及内容 (3)三、实验功能概要 (3)四、设计详细描述 (4)5.1 2-4译码器的设计描述 (4)详细设计 (4)功能仿真波形图 (5)封装符号图 (5)功能描述 (5)5.2 三态门的设计描述 (5)详细设计 (5)功能仿真波形图 (6)封装符号图 (6)功能描述 (6)5.3 八位寄存器的设计描述 (6)详细设计 (6)功能仿真波形图 (7)封装符号图 (7)功能描述 (7)5.4 4选1数据选择器的设计描述 (7)详细设计 (7)功能仿真波形图 (8)封装符号图 (8)功能描述 (9)5.5 74181的设计描述 (9)详细设计 (9)功能仿真波形图 (10)封装符号图 (10)功能描述 (10)5.6 运算器的设计描述 (11)详细设计 (11)功能仿真波形图 (12)封装符号图 (13)功能描述 (18)五、实验注意事项 (18)六、实验问题及解决 (19)七、实验总结及感想 (19)一、实验目的1、掌握运算单元ALU分模块、分层次结构化设计的方法；2、理解运算单元ALU的工作原理和过程；3、进一步学习Verilog HDL进行电路设计的方法和技巧；4、进一步学习QuartusⅡ和Modelsim进行电路设计和仿真的方法和技巧。

一、实验设备PC机+ QuartusⅡ 10.0 + FPGA(DE2-115开发板)+TEC-8实验箱二、实验要求及内容1、用Verilog HDL设计ALU所需的各个功能模块，并用modelsim仿真；2、在DE2-115开发板或在TEC-8实验箱上验证；3、将设计的运算器进行封装，用于后续的综合实验三、实验功能概要如图为ALU逻辑功能框图，向R0，R1，R2，R3寄存器写入数据，通过数据选择器选择将数据传到某个端口并进行运算，运算结果由DBUS数据总线传出。

算数逻辑单元ALU

湘潭大学实验报告一、实验目的1.理解算术逻辑单元ALU的工作原理。

2.掌握算术逻辑单元ALU的设计方法。

3.验证32位算术逻辑单元ALU的加、减、与、移位功能。

4.按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。

二、实验要求1.做好实验预习，掌握运算器的数据传送通路和ALU的功能特性，并熟悉本实验中所用的控制台开关的作用和使用方法。

2.写出实验报告，内容是：1)实验目的；2)按理论分析值填写好表1-2、表1-3，给出对应的仿真波形。

3)列表比较实验数据（2）的理论分析值与实验结果值；并对结果进行分析。

实验结果与理论分析值比较，有没有不同？为什么?4)通过本实验，你对运算器ALU有何认识，有什么心得体会？三、实验原理（1）设计ALU元件在Quartus II 环境下，用文本输入编辑器Text Editor输入ALU.V算术逻辑单元文件，编译Verilog HDL文件，并将ALU.V文件制作成一个可调用的原理图元件。

（2）以原理图方式建立顶层文件工程选择图形方式。

根据图1-1输入实验电路图，从Quartus II的基本元件库中将各元件调入图形编辑窗口、连线，添加输入输出引脚。

将所设计的图形文件ALU_sy.bdf保存到原先建立的文件夹中，将当前文件设置成工程文件，以后的操作就都是对当前工程文件进行的。

（3）器件选择选择Cyclone系列，在Devices中选择器件EP1C12QC240C8。

编译，引脚锁定，再编译。

引脚锁定后需要再次进行编译，才能将锁定信息确定下来，同时生成芯片编程/配置所需要的各种文件。

（4）芯片编程Programming（可以直接选择光盘中的示例已完成的设计进行验证实验）打开编程窗口。

将配置文件ALU_sy.sof下载进GW48系列现代计算机组成原理系统中的FPGA中。

（5）选择实验系统的电路模式是NO.0，验证ALU的运算器的算术运算和逻辑运算功能.根据表1-1，从键盘输入数据A[7..0]和B[7..0]，并设置S[3..0]、M、Cy，验证ALU运算器的算术运算和逻辑运算功能，记录实验数据。

实验报告算术逻辑单元

一、实验目的1. 理解算术逻辑单元（ALU）的基本原理和功能。

2. 掌握ALU的设计方法和实现过程。

3. 通过实验加深对计算机组成原理的理解。

二、实验原理算术逻辑单元（ALU）是计算机中执行算术运算和逻辑运算的核心部件。

它主要完成加、减、乘、除等算术运算以及与、或、非、异或等逻辑运算。

ALU的设计和实现是计算机组成原理中的基础内容。

三、实验内容1. 设计一个8位ALU，能够完成加、减、乘、除、与、或、非、异或等运算。

2. 使用Verilog HDL语言实现该ALU。

3. 在FPGA平台上进行测试，验证ALU的功能。

四、实验步骤1. 分析ALU的功能需求，确定输入和输出信号。

2. 设计ALU的内部结构，包括运算单元、控制单元和寄存器。

3. 使用Verilog HDL语言编写ALU的代码。

4. 在FPGA平台上进行测试，验证ALU的功能。

五、实验结果与分析1. 实验结果根据实验要求，我们设计了一个8位ALU，能够完成加、减、乘、除、与、或、非、异或等运算。

以下是部分实验结果：（1）加法运算输入：A = 10101010，B = 11001100输出：10111010（2）减法运算输入：A = 11001100，B = 10101010输出：01010100（3）乘法运算输入：A = 10101010，B = 11001100输出：1111100000（4）除法运算输入：A = 11111111，B = 10000000输出：11111111（5）与运算输入：A = 10101010，B = 11001100输出：10001000（6）或运算输入：A = 10101010，B = 11001100输出：11101110（7）非运算输入：A = 10101010输出：01010101（8）异或运算输入：A = 10101010，B = 11001100输出：011001102. 实验分析通过实验，我们成功设计并实现了8位ALU。

计算机组成原理中的ALU及其设计研究

计算机组成原理中的ALU及其设计研究一、前言计算机是现代信息社会中最为重要的工具之一，而计算机组成原理则是计算机科学中的基础。

ALU作为计算机组成中主要的逻辑运算器，其设计与研究对于计算机的性能与功能起着至关重要的作用。

二、ALU简介ALU全称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit），是计算机中执行算术、逻辑运算的核心部件之一。

在计算机中，所有的数据操作都是由ALU来完成的。

ALU的主要功能包括加减乘除、位运算、比较等逻辑运算，以及与、或、非等逻辑运算，是计算机运算速度的关键因素之一。

三、ALU的设计方法目前，ALU的设计方法主要分为两种：组合电路设计和时序电路设计。

组合电路是指由多个门电路组成的逻辑电路，其输出只与输入状态相关，没有时序要求，主要应用于ALU中的逻辑运算。

而时序电路是指带有时序要求的电路，在不同时刻采用不同的输入状态，输出也会有所不同，主要应用于ALU中的算术运算。

四、常见的ALU设计1、纯组合式ALU设计纯组合式ALU是指ALU的输出只跟输入状态相关，没有时序要求，采用多个门电路组合起来构成。

该设计简单，但是由于门电路数量较多，故其面积较大，耗能量较大。

2、微程序控制ALU设计微程序控制ALU采用微程序控制器来控制ALU的运行，该控制器相当于一个指令解码器，可以对ALU的运行顺序、输入输出等进行控制，具有极高的灵活性和扩展性。

微程序控制ALU的设计更加灵活，可以方便地修改和扩展，但是其运行速度较慢，需要较长的微指令序列。

3、准则算法ALU设计准则算法是一种运算方法，它先将数字按照某个准则进行转化，再进行运算。

准则算法ALU通过准则算法实现算术运算，可以大大降低运算次数，从而提高ALU的运行速度。

准则算法ALU的设计比较复杂，但是运行速度快，功耗低。

五、ALU的优化设计为了进一步提高ALU的性能，工程师们采用了各种方法进行优化设计。

1、增加操作数宽度增加操作数宽度可以减少运算次数，从而提高运行速度。

4位alu设计实验报告

4位alu设计实验报告引言阿里巴巴淘宝研发部需要一个高效的算术逻辑单元（ALU），用于处理复杂的计算任务。

本实验旨在设计并实现一个4位ALU，以满足淘宝研发部的需求。

设计思路功能需求根据淘宝研发部的需求，4位ALU需实现以下基本功能：1. 加法运算2. 减法运算3. 与门运算4. 或门运算5. 异或门运算6. 比较两个数的大小（等于、大于、小于）设计方案为了实现这些功能，我们将使用以下组件：1. 4位全加器电路- 用于加法运算2. 4位比较器电路- 用于比较运算3. 4位逻辑门电路- 用于与门、或门、异或门运算设计方案如下：![ALU](alu_design.png)实验步骤1. 设计并实现4位全加器电路2. 设计并实现4位比较器电路3. 设计并实现4位逻辑门电路4. 使用以上电路组件实现4位ALU电路5. 进行基本运算和比较测试，验证ALU功能是否正确实验结果通过实验验证，4位ALU完成了预期的功能需求。

以下是一些测试样例及输出结果：加法运算- 输入：A=1010，B=0011- 输出：Sum=1101减法运算- 输入：A=1010，B=0011- 输出：Diff=0111与门运算- 输入：A=1010，B=0011- 输出：A&B=0010或门运算- 输入：A=1010，B=0011- 输出：A B=1011异或门运算- 输入：A=1010，B=0011- 输出：A^B=1001比较运算- 输入：A=1010，B=0011- 输出：A>B=0001结论本实验成功设计并实现了一个功能齐全的4位ALU电路，能够满足淘宝研发部的需求。

经过测试，ALU能够正确执行加法、减法、与门、或门、异或门以及比较运算。

这个高效的ALU电路将在处理复杂计算任务时发挥巨大作用。

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。

四位ALU算术逻辑单元设计实验

实验报告实验人：学号：日期：2010-03-20 院（系）：软件学院专业（班级）：实验题目：四位ALU算术逻辑单元设计实验一. 实验目的1.了解ALU（算术逻辑单元）的功能和使用方法；2.认识和掌握超前（并行）进位的设计方法；3.认识和掌握ALU的逻辑电路组成；4.认识和掌握ALU的设计方法。

二. 实验原理从结构原理图上可推知，本实验中的ALU运算逻辑单元由4个一位的ALU运算逻辑单元所组成。

每一位的AKU电路由全加器和函数发生器所组成。

事实上，ALU的设计是在全加器的基础上，对全加器功能的扩展来实现符合要求的多种算术/逻辑运算的功能。

为了实现多种功能的运算，An、Bn数据是不能直接与全加器相连接的，它们受到功能变量F3~F1的制约，因此，可由An、Bn数据和功能变量F3~F1组合成新的函数Xn、Yn，然后，再将Xn、Yn和下一位进位Cn-1通过全加器进行全加运算以实现所需的运算功能。

ALU中，C0为最低位的进位输入端，C4为最高位的进位输出端，Sn为每一位运算结果。

一位算术/逻辑运算单元的逻辑表达式（n = 1、2、3、4）如下：Sn = Xn⊕Yn⊕Cn-1Cn = XnYn + (Xn+Yn)Cn-1令Pn = Xn+YnGn = XnYn则Cn = Gn+PnCn-1ALU的逻辑结构原理图实验要求进位位采用超前（先行、并行）进位实现。

超前进位电路同时形成各位进位，因此实现快速进位，达到快速加法的目的。

这种加法器称为超前进位加法器。

各超前（先行）进位位的形成根据表达式Cn = XnYn + (Xn+Yn)Cn-1来确定，其中n = 1、2、3、4。

后产生的进位与前进位有关，最终每个进位也只和Xn、Yn、C0有关，而Xn、Yn 又是An、Bn的函数。

如，C1 = G1+P1C0 = X1Y1 + (X1+Y1)C0C2 = G2+P2C1 = G2+P2G1+P2P1C0 = X2Y2 + (X2+Y2) X1Y1 + (X2+Y2)(X1+Y1)C0C3、C4依此类推。

使用robei学会ALU设计

四．ALU设计1.实验目的ALU（算数逻辑单元）是CPU的基本组成部分。

实验要求掌握算术逻辑运算加、减操作原理，验证运算器的组合功能。

2.实验准备ALU的基本结构如图2-4-1所示。

我们用Robei（微信公众号）所设计的ALU 要实现最基本的加减运算，与或非和异或等功能。

图2-4-1 ALU基本结构（1）加法运算包含2种类型，一种是不带进位的加法器，另外一种是带进位的加法器。

不带进位的加法器的公式：},={（1）ABRD+带进位的可以进行加法器级联，实现更高位数的串行加法运算。

带进位的加法器的公式：+=},{（2）D+RBFA（2）减法运算也包含2种类型。

不带借位的减法运算：}=,{（3）BARD-带借位的减法运算：=}-,{（4）AFD-BR3.实验要求使用Robei（微信公众号）设计一个8位ALU，并能实现数据与，或，非，异或，不带进位加法，带进位加法，不带借位减法和带借位减法运算。

运算符采用3比特表示。

A，B，R 均为8比特数据。

用测试文件测试你的ALU功能，并用级联方式将4个8比特的ALU实现32 比特的ALU。

4.实验内容4.1ALU模型设计1）打开Robei（微信公众号），新建一个模型命名为alu，类型为module，同时具备4输入2输出。

每个引脚的属性和名称参照图2-4-2进行对应的修改。

图2-4-2 引脚属性图2-4-3 ALU界面图2）添加代码。

点击模型下方的Code（如图2-4-4所示）添加代码。

图2-4-4 点击Code输入算法在代码设计区内输入以下Verilog代码：always @ (A or B or op or F)case ( op )3'b000: {D,R}=A&B；//实现与运算3'b001: {D,R}=A|B；//实现或运算3'b010: {D,R}=~A；//实现非运算3'b011: {D,R}=A^B；//实现异或运算3'b100: {D,R}=A+B；//实现不带进位的加运算3'b101: {D,R}=A+B+F；//实现带进位的加运算3'b110: {D,R}=A-B；//实现不带借位的减运算3'b111: {D,R}=A-B-F；//实现带借位的减运算default: {D,R}=A&B；// 默认为与运算endcase3）保存模型到一个文件夹中，运行并检查有无错误输出。

高速数字信号处理器中的算术逻辑单元设计与实现

高速数字信号处理器中的算术逻辑单元设计与实现在现代科技发展的浪潮下，高速数字信号处理器（DSP）成为了各个领域中不可或缺的重要组成部分。

而在DSP的核心中，算术逻辑单元（ALU）的设计与实现显得尤为重要。

本文将探讨高速DSP中ALU的设计与实现的关键问题。

首先，我们需要了解ALU的基本功能。

ALU是一种用于执行算术和逻辑运算的电路。

它通常包括加法器、减法器、乘法器、除法器以及逻辑门等。

在高速DSP中，ALU的设计要考虑到运算速度、功耗和面积等因素。

在高速DSP中，加法器是最基本且最常用的运算单元之一。

因此，设计一个高效的加法器对于DSP的性能至关重要。

常见的加法器有全加器、并行加法器和快速加法器等。

全加器是最基本的加法器，但其速度较慢。

并行加法器通过将加法操作划分为多个子操作来提高运算速度，但其面积较大。

快速加法器则是一种折衷方案，通过结合并行和串行的操作来提高运算速度和降低面积。

在高速DSP中，选择合适的加法器设计方案至关重要。

除了加法器之外，乘法器也是高速DSP中不可或缺的运算单元。

乘法器的设计复杂度较高，通常采用乘积累加器（MAC）实现。

MAC是一种将乘法和累加操作结合在一起的电路。

在设计乘法器时，需要考虑到乘法的精度、运算速度和功耗等因素。

同时，还需要采用合适的算法和优化技术，以提高乘法器的性能。

除了加法器和乘法器之外，逻辑门也是高速DSP中的重要组成部分。

逻辑门用于执行与、或、非等逻辑运算。

在高速DSP中，逻辑门的设计要考虑到运算速度和功耗等因素。

常见的逻辑门有与门、或门、非门和异或门等。

在设计逻辑门时，需要采用合适的逻辑电路结构和布线技术，以提高逻辑门的性能。

除了以上提到的基本运算单元，高速DSP中还需要考虑到数据通路、控制单元和存储单元等因素。

数据通路用于连接各个运算单元，传输数据和控制信号。

控制单元用于控制运算单元的工作状态和时序。

存储单元用于存储数据和指令。

在设计高速DSP时，需要合理设计这些单元之间的连接和交互方式，以提高DSP的整体性能。

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。

16ALU课程设计

16ALU课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解16位算术逻辑单元（ALU）的基本概念和原理；2. 学生能掌握16位ALU的运算过程和操作方法；3. 学生了解16位ALU在不同计算机系统中的应用和作用。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计简单的16位ALU运算电路；2. 学生能通过编程实现16位ALU的基本运算功能；3. 学生具备分析和解决16位ALU相关实际问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对计算机硬件及组成原理的兴趣，提高学习积极性；2. 学生养成团队合作意识，学会与他人共同分析和解决问题；3. 学生认识到科技发展对国家和社会的重要性，增强科技创新意识。

课程性质：本课程为计算机组成原理的一部分，以理论教学和实践操作相结合的方式进行。

学生特点：学生具备一定的数字电路基础知识，对计算机硬件有一定了解，但可能对16位ALU的内部结构和运算过程较为陌生。

教学要求：教师需注重理论与实践相结合，通过实例分析、动手实践等教学方法，引导学生掌握16位ALU的相关知识和技能。

在教学过程中，关注学生个体差异，鼓励学生主动参与、积极思考，培养其创新意识和团队合作精神。

通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程的学习打下坚实基础。

二、教学内容1. 理论知识：- 算术逻辑单元（ALU）的定义、功能及分类；- 16位ALU的内部结构和工作原理；- 16位ALU的运算过程及操作方法；- 16位ALU在不同计算机系统中的应用。

2. 实践操作：- 设计简单的16位ALU运算电路；- 编程实现16位ALU的基本运算功能；- 分析和解决16位ALU相关实际问题的案例。

教学大纲安排：第1课时：算术逻辑单元（ALU）的定义、功能及分类，16位ALU的内部结构和工作原理；第2课时：16位ALU的运算过程及操作方法；第3课时：16位ALU在不同计算机系统中的应用；第4课时：设计简单的16位ALU运算电路；第5课时：编程实现16位ALU的基本运算功能；第6课时：分析和解决16位ALU相关实际问题的案例。

ALU的设计与实现

ALU的设计与实现ALU，全称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit），是一种在计算机中用于执行算术和逻辑操作的重要组件。

它负责实现和执行加法、减法、逻辑运算和位移等操作，是计算机中的核心部件之一在设计和实现ALU时，主要需要考虑以下几个方面：1.功能设计：ALU应该支持哪些算术和逻辑操作，如加法、减法、逻辑与、逻辑或、位移等。

在设计中需要确定ALU的功能集合。

2.模块划分：ALU可以划分为多个模块，每个模块负责实现一种操作。

例如，可以使用一个加法器模块、一个减法器模块、一个逻辑运算模块等。

3.数据输入和输出：ALU的输入通常包括两个操作数和一个控制信号。

操作数可以是定点数、浮点数或逻辑值，而控制信号则用于选择执行的操作。

输出通常包括运算结果和标志位，标志位用于表示运算结果的特殊情况，如溢出、进位等。

4.状态设计：ALU可能需要一些内部状态来实现一些操作，如保存进位标志、溢出标志等。

在设计时，需要确定ALU的内部状态，并确定其变化条件和更新方式。

5.数据路径设计：ALU的数据路径是指数据在组件之间的传递方式和流程。

数据路径需要考虑输入数据的取值范围、位数、传递方式等，以保证数据的正确传递和处理。

6.控制单元设计：ALU的控制单元负责根据控制信号决定执行的操作。

它通常由一个或多个逻辑电路实现，用于根据输入信号的不同组合生成相应的控制信号。

在实际实现ALU时，可以基于门电路、传输门、计数器、触发器等逻辑元件进行设计。

然而，随着技术的进步，现代计算机一般使用微处理器或FPGA（可编程逻辑器件）来实现ALU，这种实现方式更加灵活、高效和可扩展。

总之，ALU的设计与实现是计算机体系结构中重要的一环。

通过合理的功能设计、模块划分、数据输入输出设计、状态设计、数据路径设计和控制单元设计，可以实现一个高效、可靠的ALU，为计算机的运算和处理提供强有力的基础支持。

实验四ALU的设计与实现实验报告.docx

实验四ALU的设计与实现实验报告.docx一、实验目的1. 掌握ALU(算术逻辑单元)的基本功能和实现原理。

2. 了解ALU的应用。

3. 自己设计一个ALU。

二、实验原理1. ALU是一个用于执行多种算术逻辑操作的数字电路模块。

3. 在二进制数系统中，可以对两个二进制数进行加、减、与、或、异或、移位等操作。

4. ALU的输出结果可以根据不同的选通信号来选择输出的结果。

5. 通过控制ALU的操作码、模式选择等信号，可以实现不同的运算和逻辑操作。

三、实验器材1. 逻辑电路实验箱；2. 多用途数字逻辑实验板(Xilinx平台)；3. Xilix ISE Design Suit软件；4. 电烙铁、万用表等。

四、实验过程首先，我们在Xilix ISE Design Suit软件上设计ALU的电路，并将设计好的电路写到FPGA芯片中。

然后，我们再将FPGA芯片与数字逻辑实验板连接，搭建出ALU的完整电路。

2. 实现ALU的基本功能：在ALU的图形界面上，我们可以将ALU设计成多种不同的模式，然后通过不同的控制信号来选择对不同的输入进行不同的运算。

ALU可以应用于不同领域的数字电路中，例如计算器、数字信号处理等。

五、实验结果分析通过本次实验，我们成功设计出了一个ALU，并且通过不同的控制信号来实现了不同的运算和逻辑操作。

通过这个实验，我们对ALU的基本原理有了更加深刻的理解，同时也了解到了ALU在数字电路设计中的应用。

六、实验心得体会通过本次实验，我学习到了ALU的基本原理和数字电路的设计方法。

在这个过程中，我需要通过图形界面来设计ALU，并且需要将设计好的电路写入到FPGA芯片中。

这个过程需要不断地尝试和调整，需要对数字电路中的基本电路和模块有比较深刻的理解。

通过实验，我对数字电路的理解更加深入了一步，我相信在今后的学习中，我会更加努力地学习数字电路的相关知识。

ALU设计

电子科技大学FPGA实验报告姓名：学号:专业：电子信息工程老师：项目名称：算术逻辑单元（ALU）2014.51.项目详细描述：○1开发平台：Xilinx ISE Design Software Suite 10.1，Digilent’s Adept，一台电脑，Spartan-3E FPGA开发板一张。

○2原理：ALU是一种组合电路，执行一系列基本的算术和逻辑运算。

它有很多选择线用来确定要执行的操作。

选择线在ALU中进行解码，所以m选择线路可以指定多达2m不同的操作。

图p8-1显示一个典型的n位算术逻辑单元的符号。

N位输入数据包含n个B数据输入和A数据输入相结合产生一个n位数据输出G。

通过S3，S2，S1，S0来进行各种运算的选择，对应的分别有加，减，乘，除，求模，自增，自减，与，或，异或，非十一种运算，而由选通键控制的其它符号表示清零。

对应的真值表如下：○3对应于开发板的I/O接口设计：输出d[7..0]-->LED7~LED0;选通S[3..0]—>按键4-1；输入a[3..0]—> 拨码开关4-1；输入b[3..0]--> 拨码开关 8-5.2.系统设计与实现：○1原理图：○2VHDL语言描述：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity alu4 is ------实体：电路外观配置port( a:in std_logic_vector(3 downto 0);b:in std_logic_vector(3 downto 0);s:in std_logic_vector(3 downto 0);bcdout:out std_logic_vector(7 downto 0));end alu4;architecture arch of alu4 is ------结构体：电路功能描述 signal c:std_logic_vector(3 downto 0);signal q:std_logic_vector(3 downto 0);signal c0,c1,c2,c3:std_logic_vector(3 downto 0);signal cin: std_logic;beginprocess(s,a,b,c0,c1,c2,c3)variable tmpa,tmpb:std_logic_vector(7 downto 0);--中间变量定义variable tmpc:std_logic_vector(3 downto 0);begincase s iswhen "0000"=> ------加法：A+B ;cin<='0';q(0)<=a(0)xor b(0)xor cin;c(0)<=(a(0) and b(0))or (b(0)and cin)or (a(0)and cin);gen1:for i in 1 to 3 loopq(i)<=a(i)xor b(i)xor c(i-1);c(i)<=( a(i) and b(i))or (b(i)and c(i-1))or (a(i)and c(i-1));end loop;bcdout<="000"&c(3)&q(3)&q(2)&q(1)&q(0);when "0001"=> ------减法：A-B ;cin<='0';q(0)<=a(0)xor b(0)xor cin;c(0)<=(not a(0) and b(0))or (b(0)and cin)or (not a(0)and cin);gen2:for i in 1 to 3 loopq(i)<=a(i)xor b(i)xor c(i-1);c(i)<=(not a(i) and b(i))or (b(i)and c(i-1))or (not a(i)and c(i-1)); end loop;bcdout<="000"&c(3)&q(3)&q(2)&q(1)&q(0);when "0010"=> -------乘法：A*Bif (b(0)='0')then c0<="0000";else c0<=a;end if;if (b(1)='0')then c1<="0000";else c1<=a;end if;if (b(2)='0')then c2<="0000";else c2<=a;end if;if (b(3)='0')then c3<="0000";else c3<=a;end if;bcdout<=("0000"&c0)+("000"&c1&'0')+("00"&c2&"00")+('0'&c3&"000");when "0011"=> ----除法，A/Btmpa:="00000000";tmpb:="00000000";tmpc:="0000"; ---中间变量初始化if(b>"0000")then ---B不为零（除数不为零）if(a>"0000")then ----A不为零（被除数不为零）if(a>b)then ----被除数大于除数时tmpa(3 downto 0):=a; -----以下四条If语句完成求满足以上 tmpb(6 downto 3):=b; ---三个条件时被除数除以除数的商和余数 if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(3):='1';elsetmpc(3):='0';end if;tmpb(5 downto 2):=b;tmpb(6):='0';if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(2):='1';elsetmpc(2):='0';end if;tmpb(4 downto 1):=b;tmpb(5):='0';if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(1):='1';elsetmpc(1):='0';end if;tmpb(3 downto 0):=b;tmpb(4):='0';if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(0):='1';elsetmpc(0):='0';end if;bcdout<="0000"&tmpc;elsif(a=b)then ---------被除数等于除数bcdout<="00000001";elsebcdout<="00000000"; ---------被除数小于除数end if;else ----被除数为零时bcdout<="00000000";end if;else ---------除数为零时bcdout<="ZZZZZZZZ";end if;when "0100"=> ------求模 A%Btmpa:="00000000";tmpb:="00000000";tmpc:="0000"; ---中间变量初始化if(b>"0000")then ---B不为零（除数不为零）if(a>"0000")then ----A不为零（被除数不为零）if(a>b)then ----被除数大于除数时tmpa(3 downto 0):=a; -----以下四条If语句完成求满足以上 tmpb(6 downto 3):=b; ---三个条件时被除数除以除数的商和余数 if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(3):='1';elsetmpc(3):='0';end if;tmpb(5 downto 2):=b;tmpb(6):='0';if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(2):='1';elsetmpc(2):='0';end if;tmpb(4 downto 1):=b;tmpb(5):='0';if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(1):='1';elsetmpc(1):='0';end if;tmpb(3 downto 0):=b;tmpb(4):='0';if(tmpa>=tmpb)thentmpa:=tmpa-tmpb;tmpc(0):='1';elsetmpc(0):='0';bcdout<="0000"&tmpa(3 downto 0);elsif(a=b)then ---------被除数等于除数bcdout<="00000000";else---------被除数小于除数bcdout<="0000"&a;end if;else ----被除数为零时bcdout<="00000000";end if;else ---------除数为零时bcdout<="ZZZZZZZZ";end if;when "0101"=>bcdout<="0000"&(a+1); --执行a+1 when "0110"=>bcdout<="0000"&(a-1); --执行a-1when "0111"=> --逻辑与：ABq(3)<=a(3)and b(3);q(2)<=a(2)and b(2);q(1)<=a(1)and b(1);q(0)<=a(0)and b(0);bcdout<="0000"&q(3)&q(2)&q(1)&q(0);when "1000"=> --逻辑或：A+Bq(3)<=a(3)or b(3);q(2)<=a(2)or b(2);q(1)<=a(1)or b(1);q(0)<=a(0)or b(0);bcdout<="0000"&q(3)&q(2)&q(1)&q(0);when "1001"=> --异或：A⊕Bq(2)<=a(2)xor b(2);q(1)<=a(1)xor b(1);q(0)<=a(0)xor b(0);bcdout<="0000"&q(3)&q(2)&q(1)&q(0);when "1010"=> --逻辑非：bcdout<="0000"&not a(3)& not a(2)& not a(1)& not a(0); when others=>bcdout<="00000000";end case;end process;end arch;○3行为仿真如下：输入信号仿真结果：3.问题和技术所遇到的问题的详细描述：○1对原理图生成下载文件时，遇到如下错误：ERROR:Place:1018 - A clock IOB / clock component pair have been found that are not placed at an optimal clock IOB /clock site pair. The clock component <s_1_IBUF_BUFG> is placed at site <BUFGMUX_X2Y10>. The IO component <s<1>> is placed at site <IPAD23>. This will not allow the use of the fast path between the IO and the Clock buffer. If thissub optimal condition is acceptable for this design, you may use the CLOCK_DEDICATED_ROUTE constraint inthe .ucffile to demote this message to a WARNING and allow your design to continue. However, the use of this override ishighly discouraged as it may lead to very poor timing results. It is recommended that this error condition becorrected in the design. A list of all the COMP.PINs used in this clock placement rule is listed below. Theseexamples can be used directly in the .ucf file to override this clock rule.解决办法：通过在网上查找，找到如下解决办法在ucf文件中加NET "s<1>" CLOCK_DEDICATED_ROUTE = FALSE;即可！○2原理图综合时，遇到如下错误：Process will terminate. For technical support on this issue, please open a WebCase with this project attached at /support.解决办法：将重新建立一个工程，然后再综合。

算术逻辑单元alu课程设计

算术逻辑单元alu课程设计一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握算术逻辑单元（ALU）的基本原理和操作，培养学生解决复杂计算问题的能力。

具体目标如下：1.知识目标：–理解ALU的基本组成和功能；–掌握ALU的主要操作，包括加法、减法、乘法和除法；–了解ALU在计算机系统中的应用。

2.技能目标：–能够运用ALU的基本操作解决实际计算问题；–能够设计和实现简单的ALU电路；–能够使用编程语言实现ALU的功能。

3.情感态度价值观目标：–培养学生对计算机科学的兴趣和好奇心；–培养学生的团队合作意识和问题解决能力；–培养学生对算术逻辑单元在现代科技中的重要性的认识。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括ALU的基本原理、操作和应用。

具体安排如下：1.第一章：ALU概述–ALU的定义和作用；–ALU的基本组成和功能；–ALU的输入和输出。

2.第二章：加法操作–加法的基本原理；–加法的ALU实现；–加法的应用举例。

3.第三章：减法操作–减法的基本原理；–减法的ALU实现；–减法的应用举例。

4.第四章：乘法操作–乘法的基本原理；–乘法的ALU实现；–乘法的应用举例。

5.第五章：除法操作–除法的基本原理；–除法的ALU实现；–除法的应用举例。

6.第六章：ALU在计算机系统中的应用–ALU在中央处理器（CPU）中的作用；–ALU在计算机图形处理中的作用；–ALU在其他计算机系统中的应用。

三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法。

1.讲授法：通过教师的讲解和演示，向学生传授ALU的基本原理和操作；2.讨论法：学生进行小组讨论，促进学生之间的交流和合作；3.案例分析法：通过分析实际案例，让学生了解ALU在计算机系统中的应用；4.实验法：安排实验课程，让学生亲自动手设计和实现简单的ALU电路。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将选择和准备以下教学资源：1.教材：选用权威的计算机科学教材，介绍ALU的基本原理和操作；2.参考书：提供相关的参考书籍，供学生进一步深入学习；3.多媒体资料：制作多媒体课件和教学视频，帮助学生形象地理解ALU的功能；4.实验设备：准备实验所需的硬件设备，让学生能够亲身体验ALU的操作。

ALU实验报告

算术逻辑单元实验报告一、实验目的1、掌握运算器的工作原理。

2、验证运算器的功能。

二、实验原理算术逻辑单元的主要功能是对二进制数据进行定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。

算术运算包括定点加减乘除运算；逻辑运算主要有逻辑与、逻辑或、逻辑异或和逻辑非操作。

ALU通常有两个数据输入端A和B，一个数据输出端Y 以及标志位等。

三、实验要求1、实验设计目标设计一个16位算术逻辑单元，满足以下要求。

（1）16位算术逻辑单元能够进行下列运算：加法、减法、加1、减1、与、或、非和传送。

用3位运算操作码OP[2..0]进行运算，控制方式如下表所示。

(2)设立两个标志寄存器Z和C。

当复位信号reset为低电平时，将这两个标志寄存器清零。

当运算结束后，在时钟clk的上升沿改变标志寄存器Z和C的值。

运算结果改变标志寄存器C、Z的情况如下：加法、减法、加1、减1运算改变Z、C；与、或、非运算改变Z，C保不变；传送操作保持Z、C不变。

因此在运算结束Z、C需要两个D触发器保存。

(3)为了保存操作数A和B，设计两个16位寄存器A和B。

当寄存器选择信号sel=0时，如果允许写信号write=1.，则在诗中clk的上升沿将数据输入dinput送入A 寄存器；当寄存器选择信号sel=1时，如果允许写信号write=1.，则在诗中clk的上升沿将数据输入dinput送入B寄存器。

(4)算术逻辑单元用一个设计实体完成。

2.顶层设计实体的引脚要求（1）clk对应试验台上的时钟（单脉冲）。

（2）reset对应实验台上的CPU复位信号CPU-RST。

（3）数据输入dinput对应试验台开关SD15~SD0。

（4）允许写信号write对应试验台开关SA5.（5）OP[2..0]对应试验台开关SA2~SA0.（6）寄存器选择信号sel对应试验台开关SA4.（7）16为运算结果result对应实验台上的指示灯A15~A0.（8）Z、C标志位对应试验台上的Z、C指示灯。

实验二-算术逻辑单元实验

实验二算术逻辑单元（ALU）的设计与实现实验目的1．认识算术逻辑单元的功能及意义2．掌握算术逻辑单元的结构与实现3．进一步熟练Modelsim、Vivado软件和Verilog硬件描述语言的使用4．理解Digilent N4 DDR FPGA开发板上数码管显示原理实验原理1.ALU算术逻辑单元（Arithmetic/Logic Unit , ALU）是现代计算机的核心部件之一。

其内部由算术和逻辑操作部件组合而成，可以实现整数加、减等算术运算和与、或等逻辑运算。

一个典型的算术逻辑单元由两路N位输入、一路N位输出、一组功能选择信号和一些标志位（flag）组成。

两路N位输入数据作为参与运算的两个操作数，输入到ALU中，通过改变功能选择信号，控制ALU对两操作数进行不同的算术或逻辑运算操作，并将N位的结果输出，与结果一同输出的还有运算产生的标志位，例如运算结果为零的标记信号Z（zero）与运算结果溢出的标记信号O（over）、进位标志C（CY）、符号位S（SF）等，如图2-1所示。

图2- 1ALU模块示意图在本次实验中，我们把输入和输出的数据长度定为4位，数据输入命名为A、B，数据输出为F，功能控制信号输入为opcode，进位输入为C n，只产生结果为零的zero标志位。

功能控制信号opcode的定义如表2-1所示。

例如：opcode=0001，运算器实现加法运算。

2.数码管显示关于N4 DDR开发板上数码管的显示原理，参见前面的实验准备部分内容。

实验内容1.基础实验。

用实验调试软件验证ALU的功能，并操作分析、记录结果。

图2- 2 ALU虚拟实验示意图（1）运算功能和控制信号①输入输出对于的开关指示灯分配如下：输入信号A:SW(4-7) B:SW(3-0) Cn:SW8 opcode:SW(12-9)输出信号F：LD(12-15) 标志位S :LD(3) Z LD(2) O: LD(1) C: LD(0)②各种运算对应的控制信号及功能，如下表。

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。