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1、 8 位算术逻辑单元设计 电子 12-1 1206040124 8 位算术逻辑单元设计 1.概述 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。算术逻辑单元（Arithmetic&logical Unit）是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由And Gate（与门）和Or Gate（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。基本上，在所有现代 CPU 体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。通常而言，ALU 具有对处理器控制器、内存及输入输
2、出设备的直接读入读出权限。输入输出是通过总线进行的。输入指令包含一个指令字，有时被称为机器指令字，其中包括操作码，单个或多个操作数，有时还会有格式码；操作码指示 ALU 机要执行什么操作，在此操作中要执行多少个操作数。比如，两个操作数可以进行比较，也可以进行加法操作。格式码可与操作码结合，告知这是一个定点还是浮点指令；输出包括存放在存储寄存器中的结果及显示操作是否成功的设置。如操作失败，则在机器状态字中会有相应的状态显示。大部分 ALU 都可以完成以下运算整数算术运算（加、减，有时还包括乘和除），位逻辑运算（与、或、非、异或），移位运算。2.ALU 设计 2.1 设计目标 设计要求该处理器的数
3、据宽度是 8bit，可以实现算术加法、算术减法、逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非、逻辑或非和逻辑异或等8 种运算。2.2 逻辑分析 依照 ALU 的原理与逻辑结构原理图，用超前进位的方法能实现下面八种功能操作的 4 位 ALU，并对电路进行封装。设定：输入信号：A4-A1、B4-B1、F3-F1、低位进位端 C0、（级联控制端 G）；输出信号：S4-S1、进位 C4 4 位 ALU 的八种功能如下：把低位的进位连接到高一位的本位上，而当 F3F2F1 的值为 001、011、101 时，C0 的值为 1，其余为 0，于是 C0 应满足：C0=GF1/F1F2F3+C0/G。而当 F3F2F1=
4、111时，Cn 进位为 0，所以进位输入应该满足：C0=(GF1/F1F2F3+C0/G)/F3F2F1 C1=(X1Y1+(X1+Y1)C0)/F3F2F1 C2=(X2Y2+(X2+Y2)C1)/F3F2F1 C3=(X3Y3+(X3+Y3)C2)/F3F2F1 2.3 设计实现 下面给出 8 位 ALU 的设计图：其中输出端 sub_in 当加减模块，且做减法时为高（数据 B 取非后的加 1）；其主要由两个 4 位的 ALU 串联而成。四位 ALU 可以采用一位 ALU 组合而成。一位 ALU 的设计采用一位全加器和一位函数发生器组成。事实上，一位 ALU 的设计是在一位全加器的基础上对
5、全加器进行逻辑运算扩展获得的。为了实现多种功能的运算，输入端，不能直接接到全加器上，而是要通过函数发生器将，根据制约条件 F3,F2,F1 变成可以用在全加器上的输入变量 X,，以实现需要的功能。再通过 X,和下一位进位端1 实现所需的功能。ALU 中 CO 为最低为的进位输入端，C4 位最高纬度进位输入端，Sn 为运算结果。一位算逻运算单元的逻辑表达式(n=1、2、3、4)如下：下面给出四位 ALU 的设计图：最上面为一个四位八路的或，即每一位都是由八个结果的该位或而得（没选中的模块输出全为 0）；中间位 7 个运算模块，选中时/choice 端输入为低，未选中的模块其输出结果都为 0；左下
6、角为一个选择模块，根据输入的 choice 选中相应的模块低电平有效（类似 74138），其另一输出端 add/sub 为是否选中加减法模块的输出端，选中为 0。加减法模块做加或减法由其输入端 sub/add 决定，低表示做加法，其连接选择模块的 SL0即当choice为 000（加法）时为低。将 sub_in接回 Cin，改变 Choice 端做仿真，当第一个脉冲来时，A 和 B 存入到寄存器中，之后通过改变 Choice 改变选中的模块，最终得出不同的结果；当 Choice 为 0（000）时，加法，3+1=4；当 Choice 为 1（001）时，减法，3-1=2；当 Choice 为
7、2（010）时，与，3（0011）与 1（0001）=1（0001）；当 Ch oice 为 3（011）时，或，3（0011）或 1（0001）=3（0011）；当 Choice 为 4（100）时，非，3（0011）非=12（1100）；当 Choice 为 5（101）时，与或，3（0011）与非 1（0001）=14（1110）；当 Choice 为 6（110）时，或非，3（0011）或非 1（0001）=12（1100）；当 Choice 为 7（111）时，异或，3（0011）异或 1（0001）=2（0010）。3.心得体会 通过这次 AUL 算术逻单元的设计，我掌握了组合逻辑电路设计的方法，对组合逻辑电路的设计有了更深入的认识。对于组合逻辑电路的设计流程和方法有了深入的认识。对我专业的学习有很大的帮助。通过这次课程设计我完成了一个完整的逻辑部件的设计，加深了对数字组合逻辑设计的认识，提高了逻辑电路设计的能力。为后续的学习打下来了坚实的基础。