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1、基于simulink的ALU单元设计与建模仿真霍加1, 王慧玲2（伊犁师范学院计算机科学系，新疆伊宁 835000）摘 要：文章介绍了用MATLAB/simulink对数字逻辑设计中运算器电路的设计与建立模型的过程与进行动态仿真的方法，给出仿真结果，验证了设计过程的可行性与模型的正确性，并阐述了应用建模仿真及其主要特点。关键词： Simulink；ALU单元；模型；仿真 1. 引言MATLAB是世界公认的功能强大，应用广泛的一种高效的工程计算软件。它将概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体易于使用的集成环境。Simulink是MATLAB的一个重要的分支产品,它是一个结合了框图界面与交互
2、仿真能力的系统级设计与仿真工具。Simulink模型采用方框图绘制来代替程序的编写,使系统编写具有可视化的功能,同时可以借助模拟显示设备直观显示仿真动态结果。Simulink已成为动态系统建模、仿真方面应用最广泛的软件包之一1。随着计算机技术的迅速发展，改善教学环境，充分利用计算机与现代设备进行CAI教学已经成为教育教学改革的主流，而运用计算机与仿真软件是一种新的途径，不需要实验设备，元器件以及连接电线等，它可以用计算机软件来建模仿真。2. ALU单元设计 在微处理器(MCPU)中，算术逻辑单元（ALU）执行基本的算术与逻辑运算，是微处理器中主要执行部件之一。算术运算包括加法、减法、自加与自减
3、，逻辑运算包括与、或、非、与恒等运算。由于所有的算术运算都是以加法为基础的，因此，通过修改行波进位或CLA加法器的输入，可以简单的设计一个ALU1。2.1 ALU单元设计 简单的算术运算ALU是由FA、LE、AE部分组成。FA是全加器也可以称为加法器，AE是算术运算的修改逻辑有时称为算术扩展器，LE是逻辑运算使用的修改逻辑称为逻辑扩展器。在加法器的输入端分别连接AE 与LE可以形成算术运算与逻辑运算功能。本例设计一个4位ALU。 FA的设计与建模仿真首先根据全加器的真值表写出逻辑表达式并化简后运用simulink 搭建模型仿真图。全加器设计比较简单因此在这里不介绍设计过程。根据全加器的逻辑电路
4、1搭建出来的模型如图1(a)所示，图中Ai，Bi，Ci-1为输入，使用常数输出模块Constant，Si与 Ci为输出，使用显示模块Display2。通过动态仿真，验证电路设计正确后可以封装成自定义模块。全加器FA 的自定义模块，图1(b)所示。2.3 AE的设计与建模仿真由于ALU需要执行四个算术运算与四个逻辑运算，因此引入一个模式控制变量M，用来选择算术运算与逻辑运算，当M=1时，ALU执行算术运算，当M=0时，执行逻辑运算。另外还需要两个选择变量S1与S0，以实现四个算术运算与四个逻辑运算中的任意一个。分配给每个算术运算的S1与S0的值，在功能表(a)中给出。可以看到，该表也表示了ALU
5、的输出值F，以及获得F的值所需要的加法器输入X、Y与C0的值。根据这个表，加法器的X输入，总是要求为A的值，而Y输入可以为全1、B、或者全0。Y输入的这些值由AE产生，其真值表(b)所示。用卡诺图化简可以得到AE的逻辑表达式1：Yi=M1Bi+M0i，得到表达式后，用simlunik搭建AE模型仿真逻辑电路图。图2(a)是，根据逻辑表达式搭建的AE模型仿真图，图中S0，S1，M2使用常数输出模块Constant，输出使用显示模块Display。通过动态仿真，即display显示的值跟真值表相符说明电路设计正确，电路调式验证无误后可以封装成自定义模块，得到的自定义模块如图2(b)所示。 LE的设
6、计与建模仿真首先从描述其运算的功能表开始。LE的功能表，表（3）所示。这个表中可以看到，Y与C0 输入对于任何逻辑运算，总是取值为0，而X输入要求各运算位不同的布尔表达式。基于这些功能表，可以得出LE的真值表，如表（4）所示。用卡若图法化简真值表后，可以推导出下列布尔表达式Xi，用来描述LE：Xi=M S1 S0 Ai +MS1S0Bi+S0AiBi+S1Ai+MA得到表达式Xi后，可以搭建LE的逻辑原理模型仿真图如图3（a）所示。图中S0，S1，M2与Ai，Bi使用常数输出模块Constant，输出使用显示模块Display 3。图3(b) 是通过动态仿真验证电路无误后封装的自定义模块LE。
7、此时，我们已经得到了AE与LE 的逻辑原理模型图与自定义模块。下一个任务是将其与加法器与自定义模块相连，这就形成一个完整的4位算术逻辑单元，如图4所示。通过动态仿真显示结果正确然后封装成4位ALU单元的模块，如图5所示。以上自定义模块的具体操作是：首先使用范围框将要压缩成子系统的部分选中包括模块与信号线，然后按EDIT菜单下的 Create Sub System命令或Ctrl+G快捷键实现。创建自定义模块的好处是：可以简化图形，减少功能模块的个数，另外也可以建立自己的模块库，为以后的搭建数字仿真电路提供方便。使得MATLAB的功能得到进一步的发展。3. 结束语在数字逻辑设计与计算机组成原理课程
8、中，设计逻辑部件是一种重要的物理基础，甚至算数逻辑单元（ALU）是计算机的的核心执行部件。用基本门电路设计一个 4位ALU，在实验箱上调试与验证很不容易；一件繁琐的工作；费时费力又需一些昂贵的仪器。应用MATLAB /Simulink进行ALU电路设计与仿真简单可行。教师可以把大部分精力集中在基本理论、基本电路与基本分析、设计方法的讲解上，不仅讲授方便，而且形象生动、学生学习起来也比较轻松，便于接受。教师在教学过程中，还可以引导学生仿真课程中所要讲述的内容，从而更好地调动学生学习的积极性与主动性。参考文献1 Daniel D. Gajsk 数字设计原理M. 清华大学出版社2004: 133-160.2 求是科技 MATLAB7.0从入门到精通M. 北京：人民邮电出版社2006：248-299.3 张亮、王宝顺等 MATLAB7.x系统建模与仿真M. 人民邮电出版社2006：97-109.霍加托与塔森（1958-），男（哈萨克族），伊犁师范学院计算机科学系副教授。主要研究方向：计算机硬件课程教学研究、web信息处理。王慧玲 （1981-），女（汉族），伊犁师范学院计算机科学系教师，硕士研究生。主要研究方向：计算机图形学。 电子邮箱： 或 第 5 页