复旦大学-集成电路设计-ALU设计实例
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。
设计并实现一个简单的ALU()
设计并实现一个简单的ALU集成13-3 刘璐瑶1314020314一、实验目的1.掌握ALU的工作原理，ALU集多种运算功能于一身，可以实现多种简单的算术运算和逻辑运算；2.进一步掌握Verilog HDL语言的编程方法，理解分支结构的用法；二、实验内容用Verilog HDL编写一个字长6位的ALU，其能实现的功能和结构框图如下：1.其中的加减运算均为补码加减，运算的过程中要考虑溢出，溢出判断采用双符号为的方式。
2.在执行逻辑运算的过程中不考虑溢出。
3.运算的功能由输入信号F(2..0)决定。
三、实验要求1.通过对操作性实验的练习，自行完成设计实例。
2.熟悉Quartus II的设计流程。
3.在实验报告中写出完整的设计过程。
程序代码：module alu(input [5:0]x,input [5:0]y,input [2:0]F,output reg overflow,output reg [5:0]result);reg [6:0]xr,yr,resultr;parameter NULL=3'b000,ADD=3'b001,SUB=3'b010,AND=3'b011,OR=3'b100,XOR=3'b101,SRL=3'b110,SLL=3'b111;always@(x or y)beginxr={x[5],x};yr={y[5],y};case(F)NULL:beginresult<=6'b000000;overflow<=1'b0;endADD:beginresultr=xr+yr;result<=resultr[5:0];overflow<=xr[6]^yr[6];endSUB:beginresultr=xr+~yr+1'b1;result<=resultr[5:0];overflow<=xr[6]^yr[6];endAND:beginresult<=x&y;overflow<=1'b0;endOR:beginresult<=x|y;overflow<=1'b0;endXOR:beginresult<=x^y;overflow<=1'b0;endSRL:beginresult<={1'b0,x[5:1]};overflow<=1'b0;endSLL:beginresult<={x[4:0],1'b0};overflow<=1'b0;endendcaseendendmodule波形仿真图：引脚配置：结果图：（手机图片）。
复旦大学模拟电路二级运放实例
3.6.1 定义 ........................................................................................................ 16 3.6.2 两级运放的 CMRR .................................................................................. 17 3.7 电源抑制比（PSRR） ................................................................................ 18 3.7.1 定义 ........................................................................................................ 18 3.7.2 两级运放的 PSRR ................................................................................... 19 3.8 转换速率（Slew Rate） ............................................................................. 21 3.8.1 定义 ........................................................................................................ 21 3.8.2 两级放大器的 Slew Rate ......................................................................... 22 3.8.3 单位增益带宽 GBW 和压摆率 SR............................................................ 23 3.9 噪声 ............................................................................................................ 24 3.9.1 低频噪声 ................................................................................................. 24
复旦微电子拟集成电路设计带隙基准-PPT精选文档
方法：提高输出阻抗。 Io u t
V 0.5 3.9A ro u t 128 k
改进的电流源
① 带源极电阻的电流镜
vS ioR S
vgs vS
v v o S i g V o m 2 gs r o 2 v o r r 1 R g g r 1 R g out o 2 S m 2 o V n 1 V eff 5 eff C W L n ox
近似地：
W W W 1 V V V V nV eff 4 eff 1 eff 5 eff 2 eff 2 L L L 4 1 n
例：
mirror A (Sackinger 1990)
g g r r r m 1 m 3 ds 1 ds 2 ds 3 r out 2
V V V V DS 2 DS 5 eff 3 tn
改进的电流源
mirror B (Martin 1994)
V 2 V V G 3 eff tn
V V V V 2 V V V V V DS 2 S 4 G 3 GS 4 e ff tn e ff tn e ff
V nV 同时： V DS 4 eff 4 eff
V V V V V DS 4 G 3 ef f th ef fV ef f
V th
V V nV 是可以保证的 th eff 4 eff
上述偏置使M2和M3处在饱和与线性区的边缘
若： IbiasIin, 则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区 V 0 , V V V R 若： IbiasIin, I eff 1 t 4 h DS 3 eff out
复旦大学mems经典案例
2021/5/26
26
在保持一定压力的原料气体中，借助射频功率 产生气体放电，使含有薄膜组成原子的气体电 离，在局部形成等离子体。在气体放电等离子 体中，由于低速电子与气体原子碰撞，产生正、 负离子之外，还会产生大量的活性基，从而大 大增强反应气体的化学活性。这样，在相对较 低的温度下，很容易发生反应，在基片上沉积 出所期望的薄膜。由于 PECVD 技术是通过反应 气体放电来制备薄膜的，有效地利用了非平衡 等离子体的反应特征，从根本上改变了反应体 系的能量供给方式。
实验室的器件测试平台
2021/5/26
35
北京时间2013年8月9日出版的最新一期《科 学》杂志（Science）刊发了实验室团队——复旦 大学微电子学院张卫团队最新科研论文，团队
首次提出并实现了一种新型的微电子基础器件： 半浮栅晶体管（SFGT，Semi-Floating-Gate Transistor）。这是我国科学家在该顶级学术期刊 上发表的第一篇微电子器件领域的原创性成果。
2021/5/26
10
平台瞄准国际集成电路、超深亚微米/纳 米电子材料与工艺和超高速电子器件的发展
前沿，面向国家重大需求，开展微纳电子器
件与工艺关键技术的研发，力争解决国家在
极大规模集成电路制造工艺领域中的部分重
大科学和技术问题。近年来平台负责承担和 完成了包括国家“02重大专项”、“863”计 划及国家自然科学基金等项目在内的各类项 目共计近50项。目前为止，平台已出版中英 文专著6部，并在Advanced Materials、Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters、 IEEE Transaction on Electron Device和Journal
复旦大学集成电路工艺原理作业03
作业3：光刻1
1. 对于NA ＝0.6的曝光系统，设k 1＝0.6，k 2＝0.5。
考虑100 nm
到1000 nm 之间的波长（DUV 至可见光），计算其在不同的曝光波长下的理论分辨率和焦深，并作图。
在图中标示出常用的光刻波长（i 线，g 线，KrF 和ArF ）。
根据计算和图，请说明ArF 对于0.13 μm 和0.1 μm 技术是否足够？
2、 计算有9块掩模工艺的的最终成品率。
掩膜中有4块平均致命
缺陷密度为0.1cm -2， 4块为0.25 cm -2，还有一块为1.0 cm -2，芯片面积为50mm 2.
3、 一个X 光接近式曝光系统，使用的光子能量为1 keV ，如果版
和硅片的间距为20 μm ，估算该系统所能达到的理论衍射分辨率。
（注：λ/hC E =）。
4、 假定某种光刻胶可以MTF ＝0.3分辨图形，如果曝光系统的
NA ＝0.4，S ＝0.5。
则采用i 线光源时光刻分辨的最小尺寸为多少？（选做）。
复旦大学-集成电路设计-正向设计和反向设计
Top-Down设计关键技术
逐级细化并
目前存在的问题： ① 缺少可综合的系统级库资源 ② 通过行为级综合工具把功能级描述转换成RTL级 描述，速度最快可达到传统人工方式的20倍，但 工具尚未实用化
Cadence的SPW 4.9(Signal Processing Worksystem ) linux 版本硬件设计系统, 能自动生成RTL代码
State Key Lab of ASIC & Systems, Fudan University ,Jinmei Lai
1、正向设计与反向设计 按功能和实现的先后顺序分
功能
半导体
要求
实现
结构 功能
?
模拟修改
半导体
半导体
实现
实现 State Key Lab of ASIC & Systems, Fudan University ,Jinmei Lai
Synthesis, Synplify,和Design Compiler进行优化。 6. 提供从算法设计到FPGA流程执行的全面综合工具。
State Key Lab of ASIC & Systems, Fudan University ,Jinmei Lai
Bottom-Up
自底向上(Bottom-Up)设计
1、正向设计与反向设计
反向设计方法的应用领域越来越小
功能的多样化和专门化 集成度越来越高，数十亿晶体管;保密措施 从样品制备、图像采集、网表提取、电路整理验证，
版图设计
1. 2007年65nm 内存DR3芯片 2. 2008年10月45nm Intel 凌动处理器的Cache区域 3. 2011, 28nm工艺,VIRTEX7 68亿个晶体管
复旦大学专用集成电路-国家重点实验室
复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室是国内集成电路设计领域唯一的国家重点实验室。
实验室的软、硬装备达到国际90代年的水平，具备深亚微米芯片的设计和研究能力，是国内最有影响的集成电路设计开发基地，也是国内集成电路设计人才培养最有实力的基地。
实验室面积超过2200平方米，拥有国际一流的软硬件设计环境。
▪50台先进的计算机工作站Sun Ultra 10, 60；▪Pentium IV 100台；▪系统设计软件Synopsys, Cadence；▪亚微米芯片设计软件Cadence, Avanti；▪SP设计软件COSSAP, DSP station；▪功耗分析软件Power Mill；▪数字电路测试仪；▪HP 82000逻辑分析仪；▪HP测试分析探针台2台；▪HP高频示波器等测试仪器；▪其它软件Saber、Hspice、Xillinx、Altera等。
专用集成电路与系统国家重点实验室“专用集成电路与系统”国家重点实验室是于1992年由国家计委批世界银行贷款筹建的，总贷款额为160万美元。
1995年9月通过国家2002年再次通过评估，是我国目前唯一的专门从事集成电路设计研家重点实验室。
实验室有固定人员60名，其中45岁以下的中青年教师约占70%，士学位的占中青年教师的70%以上。
实验室以微电子技术、计算机辅助技术和电路系统理论方法为基础多学科结合的综合优势，围绕集成电路这一关系到我国信息化发展的键问题,开展专用集成电路设计方法与系统集成创新技术的研究。
目决从系统到集成电路制造工艺之间所遇到的前沿理论问题和关键技术开发具有自主知识产权的用于先进电子系统的芯片技术，成为我国集设计研究、产业发展以及高层次人才培养的最重要基地之一。
近年来，实验室始终瞄准国际SoC发展前沿，面向国家重大需求国民经济主战场，紧紧围绕实验室的学术研究方向，共承担了各类研究课题274项，总经费5595.79万。
其中86 973计划、国家自然科学基金、国家攻关计划以及省部委项目共计146项，经费3404.6万元；与几十家国内外单位和企业合作完成研究课题128项，经费2191.19万元，创造了良好的社会效益和巨大的经济效益。
4位alu电路设计参考文献
4位alu电路设计参考文献在设计4位ALU电路时，可以参考以下文献：1. "Digital Computer Arithmetic: Design and Implementation" by Milos D. Ercegovac and Tomas Lang这本书详细介绍了数字计算机算术的设计和实现，包括ALU 电路设计。
它提供了一些4位ALU的设计示例和实现细节，对于初学者来说非常有用。
2. "Modern VLSI Design: IP-Based Design" by Wayne Wolf这本书介绍了现代集成电路设计中使用的各种技术和工具。
其中的一章讨论了ALU电路的设计方法和实施细节，为设计4位ALU提供了有用的参考。
3. "Digital Design and Computer Architecture" by David Harris and Sarah Harris这本书提供了有关数字设计和计算机体系结构的详细介绍。
其中的一章深入讨论了ALU电路的设计和实现方法，并提供了一些设计示例和实施步骤。
4. "Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface" by David Patterson and John L. Hennessy这本经典教材介绍了计算机组织和设计的基本原理。
其中一章涵盖了ALU电路的设计和实施，提供了关于ALU功能、控制和时序的详细说明。
这些文献可以提供关于4位ALU电路设计的基本原理、实现细节和实践示例的有用信息。
阅读这些参考文献将帮助您更好地理解和设计4位ALU电路。
复旦大学微电子专业专用集成电路内部电子版教程 (1)
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第二章ASIC设计流程和方法
ENTITY mux IS
in1 in2 sel
out1 (in1,in2,sel:IN BIT; PORT
out1:OUT BIT); END mux; -- 设计实体说明
GENERIC (m:TIME:=2ns);
复旦大学专用集成电路与系统实验室
28100000
§ ÄÄÄÄ
êú 70Ä Ä Ä
ê 2000Ä
êú 80Ä Ä
êú 90Ä Ä
1
12
40
0
4000 40000 500000
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第一章 专用集成电路概述
1.4集成电路设计和制造过程 – 设计过程
• • • • 制定规范(SPEC) 系统设计(System Design) 电路设计(Circuit Design) 版图设计(Layout Design)
º º Ò Î Ó ¨÷ » ·Å
CO
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第二章ASIC设计流程和方法
– Verilog-HDL 描述进位算法描述
module carry(co,a,b,c); output co;
input a,b,c;
wire #10 co=(a&b)|(a&c)|(b&c) end module
AECHITECTURE twown2 OF mux IS BEGIN
in1 out1 in2
NOT:Sb=U0(sel);
AND2:S1=U1(sel,in1);
AND2:S2=U2(Sb,in2); OR:out1=U3(s1,s2);
复旦大学模拟电路二级运放实例
专用集成电路与系统国家重点实验室
RFIC
整理者
版本号 1.0
日期 2007.10.10
说明 详细介绍二级运放原理和设计仿真， 供新手 入门参考
尹睿
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目录
1 2 引言 ..................................................................................................................... 1 电路分析 .............................................................................................................. 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 3.4 电路结构 ....................................................................................................... 2 电路描述 ....................................................................................................... 2 静态特性 ....................................................................................................... 3 频率特性 ....................................................................................................... 5 相位补偿 ....................................................................................................... 7 调零电阻 ....................................................................................................... 7 偏置电路 ..................................................................................................... 10 共模输入范围 .............................................................................................. 13 输出动态范围 .............................................................................................. 13 单位增益带宽（GBW） .............................................................................. 14 输入失调电压 .............................................................................................. 14
复旦大学-集成电路设计-设计流程
–集成电路设计流程与EDA软件•半定制设计流程•全定制设计流程–选择EDA设计工具的原则–主要的EDA Vendor工具特色–集成电路设计流程与EDA软件•半定制设计流程•全定制设计流程–选择EDA设计工具的原则–主要的EDA Vendor工具特色迭代性2与3可互换LVS/DRC1. 设计输入硬件描述语言设计输入，任何文本编辑工具–如：Ultraedit （IDM Computer Solutions 公司）; vi （Linux 文本编辑工具）–仿真器自带编辑器…计规范检查:LEDA （Synopsys ）－增强了设计人员检查HDL 代码的能力，包括可综合性，可仿真性、可测试性和可重用性Logic Design Flow2、逻辑综合–Synopsys:Design Compiler;380到500个综合库198890 %ASIC设计师选用1年的license 83万RMBLogic Design Flowdesign entryPhysical Design FlowDesign & timing SetupFloor Planning布图规划：包括裸片大小的规划、I/O规划、电源规划、大量硬核或模块（hard core、block）的规划等，是对芯片内部结构的完整规划和设计。
布图规划的合理与否直接关系到芯片的时序收敛、布线通畅。
CTSCTS步骤中，需要对设计的时钟分布有大体的了解，buffer tree的级数，时钟的skew等分为全局布线（global routing ）、详细布线（detailrouting ）和布线修正（search and repair ）。
RoutingDesign For Manufacturability(DFM)保证芯片能被foundry正确制造：1.天线效应修补：如果某一层的一个信号线过长，在制造过程中可能会吸收大量的电荷，从而造成栅氧化层击穿。
一般工具软件会使信号跳层或者插入反偏二极管来消除；2.单孔变多孔：布线完成后不同层的金属在连接处都只用了单一孔来进行连接，这样接触电阻大，而且如果制造出问题时容易断路。
复旦大学模拟集成电路课件
• 劣势
– – – – – 沟道电阻下降、跨导下降 阈值电压下降速度低于电源电压、信号幅度下降 噪声上升、动态幅度下降 更加非线性 更加偏离MOS的平方律电流特性、建模更难
模拟信号处理
• 首先确定系统中的模拟和数字部分的划分 • 系统分成三个模块
– 预处理模块：将模拟信号转变为数字信号 – 数字处理模块：数字信号处理(DSP) – 后加工模块：将数字信号转换为模拟信号
F(E) =
1 1 + e(E - E F )/kT
– 本征载流子浓度：
n i = 3.9 × 1016 T 3/2e -Eg0/2kT
室温下（300K）
n i = 1.45 × 1010 cm-3
T↑,
n i↑。 T每升高11度，Ni 为原来的2倍。
掺杂半导体的费米势
EC EF=e φF Ei Eg Ev
• 难以利用自动设计工具
模拟集成电路设计的特点
• 直观的设计
– 模拟设计的复杂性
• 在速度、功耗、增益、 精度、电源电压、线性度等因素间折中 • 噪声、串扰、电源电压下降、温度对性能的影响大 • 模拟电路二级效益的建模和仿真存在难题。仿真不能发现所有 设计问题 。
模拟集成电路设计步骤
电路设计
– 解决方法：直观和经验设计
系统中的模拟电路
• 预处理模块：
– 输入信号：传感器输出、语音信号、射频信号等 – 滤波器(filter)：根据采样原理，限制输入模数转换器的信 号带宽。 – 自动增益控制电路(AGC)：控制模数转换器的输入信号的 幅度，是一个可控增益放大器。 – 模数转换器(ADC或 A/D) ：将模拟信号转换为数字信号。 – 频率综合器或锁相环(PLL)：提供信号采样的精确时钟。
7-7-ALU设计实例
加法器所要 求的输入
Required adder inputs A B CI X X X X X X X X 0 1 0 1 0 1 0 1
1111 1 10000 Fudan University,Jinmei 2016-10-31 CI=M0 A是中间变量，如何由输入得到不同的 A！ Lai B=X
2016-10-31
Fudan University,Jinmei Lai
内容
算术运算单元设计 逻辑运算单元设计 ALU设计
2016-10-31
Fudan University,Jinmei Lai
设计实现方案
设计层次：门级建模 设计方法：自底向上的设计
2016-10-31
CPU中的6类寄存器
累加寄存器（AC）
暂时存放ALU运算的结果信息。当使用多个累加器时， 就变成了通用寄存器堆结构 数据缓冲寄存器（DR） 用来暂时存放由内存读出的一条指令或一个数据字。 地址缓冲寄存器（AR） 用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址 标志寄存器 各种状态码、对CPU操作进行控制的信息 程序计数器（PC） 在程序开始执行前，必须将第一条指令的起始地址送入 PC。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，以便使 其保持将要执行的下一条指令的地址。 指令寄存器（IR） 用来保存当前正在执行的一条指令。
M S2 2
0 0 0 0 1 1 1 1
M S 11
0 0 1 1 0 0 1 1
SM 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1
Arithmetic operation X X+1 X+Y X+Y+1 X + Y’ X + Y’ + 1 X–1 X (transfer) (increment) (add) (1C subtraction) (2C subtraction) (decrement) (transfer)
复旦大学模拟电路二级运放实例
3.9.2 输入积分噪声 .......................................................................................... 25 4 电路设计 ............................................................................................................ 26 4.1 4.2 4.3 MOS 工作区域 ............................................................................................ 26 过驱动电压的影响....................................................................................... 27 约束分析 ..................................................................................................... 27
3.6.1 定义 ........................................................................................................ 16 3.6.2 两级运放的 CMRR .................................................................................. 17 3.7 电源抑制比（PSRR） ................................................................................ 18 3.7.1 定义 ........................................................................................................ 18 3.7.2 两级运放的 PSRR ................................................................................... 19 3.8 转换速率（Slew Rate） ............................................................................. 21 3.8.1 定义 ........................................................................................................ 21 3.8.2 两级放大器的 Slew Rate ......................................................................... 22 3.8.3 单位增益带宽 GBW 和压摆率 SR............................................................ 23 3.9 噪声 ............................................................................................................ 24 3.9.1 低频噪声 ................................................................................................. 24
专业集成电路设计中三次多项式实现的新结构
专业集成电路设计中三次多项式实现的新结构
莫凡;俞军;章倩苓
【期刊名称】《系统工程与电子技术》
【年(卷),期】1999(021)008
【摘要】专业集成电路(Application Specific Intergrated Circuit,ASIC)设计中的三次多项式计算,存在着一类典型的应用问题,即自变量是累积形成的,待自变量完整形成后再行直接计算是低效的.提出一种改进的三次多项式算法,在保证和直接算法相同精度的条件下,以较少的电路元件实现计算功能.同时,本算法从自变量完整形成到给出最终结果的延迟很小.
【总页数】3页(P64-66)
【作者】莫凡;俞军;章倩苓
【作者单位】复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海,200433;复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海,200433;复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海,200433
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.高次多项式动力凸轮优化设计及MATLAB算法实现 [J], 詹樟松;杨正军;刘兴春
2.分段三次多项式逼近初等函数的硬件实现 [J], 曹广界;杜慧敏;王鹏超;杜琴琴;丁家隆
3.用二次多项式实现54坐标到80坐标的转换 [J], 王建弟;张伟
4.基于三次多项式的蔡氏电路设计与硬件实现 [J], 吕恩胜
5.一元三次多项式函数极值点的极值——拉氏乘数法和Mathematica的全面实现[J], 徐沥泉; 史立新; 周公贤
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
复旦大学具有自主知识产权的可编程逻辑电路通过专家鉴定
复旦大学具有自主知识产权的可编程逻辑电路通过专家鉴定佚名
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2004(17)9
【总页数】1页(P63-63)
【关键词】复旦大学;自主知识产;可编程逻辑电路;集成电路
【正文语种】中文
【中图分类】F426.63
【相关文献】
1.压敏型自愈合非硫化橡胶防水材料通过专家鉴定产品具有自主知识产权广泛应用于重点工程 [J], 天津市橡胶工业研究所;亚腾达橡塑制品发展有限公司
2.山东省农药研究所“具有自主知识产权的新型杀虫剂LNY0701”项目通过专家验收 [J],
3.具有自主知识产权的张吉林三维正脊技术通过专家鉴定 [J], 无
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5.具有自主知识产权的“双层预热混捏机”科研成果通过省部级鉴定 [J], 赵杰三因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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内容
算术运算单元设计 逻辑运算单元设计 ALU设计
2010-10-31
Fudan University,Jinmei Lai
ALU 功能表
S3 S 3 S22 S S S 1 1 S S 00
Operation G G G G G G G G = = = = = = = = X X X X X X X X +1 +Y +Y+1 + Y’ + Y’ + 1 –1
Fudan University,Jinmei Lai
逻辑运算单元定义
M 11 S M S00
Output Gi = XiYi Gi = Xi + Yi Gi = Xi Yi Gi = Xi’
M1 M0
0 0 1 1
0 1 0 1
2010-10-31
Fudan University,Jinmei Lai
Fudan University,Jinmei Lai
The four-bit adder
基本的4bit加法器： S = A + B + CI. 修改A、B、CI的输 入，可实现各种算术 运算
2010-10-31
Fudan University,Jinmei Lai
加和减运算的实现
• 当Sub = 0, G= X + Y 当 Sub = 1
1111 1 10000
0 1 0 1 0 1 0 1
2010-10-31
Fudan University,Jinmei Lai
输入逻辑
输入
M S 2
2 1
输出
M S 1 A
0 0 1 1
0 1 0 1
2010-10-31
0000 Y Y’ 1111
M2 M1 M0
Fudan University,Jinmei Lai
function G = X + 1?
Set A = 0000, B = X, and CI = 1
function : G = X - 1? function : G = X?
A = 1111 (-1), B = X, CI = 0
(This can be useful.)
A = 0000, B = X, CI = 0
基于HDL语言的集成电路设计方法实例
来金梅
2010-10-31
jmlai
内容
算术运算单元设计 逻辑运算单元设计 ALU(Arithmetic-Logic Unit)设计
2010-10-31
Fudan University,Jinmei Lai
微处理器 (CPU)
标志寄存器 ALU
至外部 CB
算术运算S3=0 逻辑运算 S3=1
ALU 有 4种逻辑操作 不需要S2 只需 S1 和 S0即可以
0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1
x x x x
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 0 1 0 1 0 1
G G G G
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Synthesis and DC Usage
Compiled netlist Library (smic018) .sdf files
ModelSim
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PLA ID IR
Register Array
Program Counter Accumulator)
RA
PC
A 内部数据总线 DB
Address Register
AR 外部AB
DR
存储器
4001H 4001H 4002H 4002H 4003H 4003H 4004H 4004H 4005H 4005H 地址
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基本门实现
A i M 2 Y i ' M 1Y i
M2
M1
CI=M0
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内容
算术运算单元设计 逻辑运算单元设计 ALU设计
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E7H E7H 34H 34H A5H A5H 62H 62H 38H 38H 单元内容
外部DB
ALU 是处理器的核心 一个 ALU主要执行算术 和逻辑运算
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内容
算术运算单元设计 逻辑运算单元设计 ALU设计
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0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
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基于加法的运算
Selection code Desired arithmetic operation M M1 M S S S0 G (A + B + CI) 2 1 2 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X X+ 1 X+ Y X+ Y+ 1 X + Y’ X + Y’ + 1 X– 1 X (transfer) (increment) (add) (1C subtraction) (2C subtraction) (decrement) (transfer) Required adder inputs A B CI 0000 0000 Y Y Y’ Y’ 1111 1111 X X X X X X X X
= = = =
X and Y X or Y XY X’
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ALU 顶层模块
4
The / and 4 on a line indicate that it’s actually four lines.
4
逻辑运算时， S3=1 ，Cout 没用
4
4
4
逻辑运算和算术运算共享输入 S1 和 S0,但只有算术运算时使用S2.
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G 是 ALU 的输出 • S3 = 0,选择算术运 算作为输出. • S3 = 1,选择逻辑运 算作为输出
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Synthesis and DC Usage
输入逻辑的基本门实现
M22 S M M S 22 S 11 A M S1 1
Y 0 1 0 1 0 1 0 1
i
A 0 0 0 1 1 0 1 1
i
0 0 1 1
0 1 0 1
0000 Y Y’ 1111
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
A i M 2 Y i ' M 1Y i
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M
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算术运算功能表
M S22 M1 S 1 M0 S 0
Arithmetic operation X X+1 X+Y X+Y+1 X + Y’ X + Y’ + 1 X–1 X (transfer) (increment) (add) (1C subtraction) (2C subtraction) (decrement) (transfer)
接下来，设计综合
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•
G X Y 1
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Modifying the adder inputs
Hale Waihona Puke 修改“Input Logic” ，同理,可 得到其他逻辑函 数
M
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Some more possible functions