实验一_四位alu算术逻辑单元设计实验

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1、计算机组成原理实验实验报告实验人：林耀龙学号：09388330日期：2011-3-22院（系）：软件学院专业（班级）：09软件工程（数字媒体技术）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ALU电路由全加器和函数发生器所组成，如下图（1）

2、所示。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。为了实验多种功能的运算，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为最高位的进位输入端，Sn为运算结果。一位算/逻辑运算单元的逻辑表达式（n=1、2、3、4）如下：Sn=XnÅYnÅ

3、Cn-1Cn=XnYn+(Xn+Yn)Cn-1令Pn=Xn+Yn，计算机组成原理实验Gn=XnYn则Cn=Gn+PnCn-1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+(

4、X1+Y1)C0C2=G2+P2C1=X2Y2+(X2+Y2)X1Y1+(X2+Y2)(X1+Y1)COC3=G3+P3C2=X3Y3+(X3+Y3)(X2Y2+(X2+Y2n)(X1Y1+(X1+Y1)C0))C4=G4+P4C3=X4Y4+(X4+Y4)(X3Y3+(X3+Y3)(X2Y2+(X2+Y2n)(X1Y1+(X1+Y1)C0))一些控制信号如F3-F1为功能控制信号，控制着4位ALU运算逻辑单元的八种功能操作：A4-A1和B4-B1为ALU的两组数据输入端；S4-S1为了4位ALU的4个输出端

5、，S表示为S=SS43S2S1；C4为4位ALU的最高位进位输出端，依次还有C3、C2、C1。（考虑级联关系时，如有必要可增加级联控制端）。计算机组成原理实验一.实验内容依照ALU的原理与逻辑结构原理图，用超前进位的方法设计能实现下面八种功能操作的4位ALU，并对电路进行封装。为了实现4位到8位ALU、16位ALU等的功能扩展需要，设计时必须考虑级联关系，并实现4位ALU到8位ALU的扩展电路。4位ALU的八种功能如下：F3F2F1S功能描述000/B求反001/B+1*求补010B传送B011B+1*加1传

6、送100A+/B加反101A+/B+1*减110A+B加111A⊕B异或二.实验器材1.电脑一台2.MAX+PLUSII电路设计软件一套3.根据需要选用器件，但以基本逻辑门电路器件为主计算机组成原理实验一.实验分析与设计根据4位ALU的八种功能操作表的要求，可将F3、F2、F1与X、Y的结果列表，在函数发生器内，记C0为最低位的进位输入：F3F2F1SXYC0000/B0/B0001/B+10/B1010B0B0011B+10B1100A+/BA/B0101A+/B+1A/B1110A+BAB0111A⊕BA

7、B0根据上面表格可画出卡诺图：F3F2F100011110000001AAAA（X端输出的卡诺图）F3F2F100011110计算机组成原理实验0/B/BBB1/B/BBB(Y输出端的卡诺图)F3F2F1000111100011010100(C0输入端的卡诺图)根据卡诺图得到输出函数的逻辑表达式：X=F3A，Y=/F2/B+F2B=/(F2⊕B)，最低进位输入端C0=F1(/F3+/F2)。从而设计出函数发生器的基本逻辑单元：将其封装得到：计算机组成原理实验根据数字电路知识可设计出全加器基本逻辑单元：将其封装

8、得到：由之前的卡诺图得到最低进位输入C0=F1(/F3+/F2)，由于需要实现4位ALU到8位ALU、16位ALU的扩展，所以需要使能端的控制，需要增加一个最低进位输入Cin，一个最高进位输出Cout，一个使能端输入EN，则C0的表达式为C0=(ENF1(/F3+/F2)+Cin)/(F3F2F1)，基本逻辑单元为：计算机组成原理实验根据F3、F2、F1的操作功能表，当F3F2F1=111时，ALU