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）

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）

（2）减法运算也包含2种类型。不带借位的减法运算：

（3）

带借位的减法运算：

（4）

3.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

4.1 ALU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

endcase

3） 保存模型到一个文件夹中，运行并检查有无错误输出。

4.2测试文件设计

1）新建一个4输入2输出的测试文件，记得将Module Type设置为“testbench”各个引脚配置如图2-4-5所示。

图2-4-5 新建测试文件

2）另存为测试文件。将测试文件保存到alu模型所在的文件夹下。

3）加入模型。在Toolbox工具箱的Current栏里，会出现一个alu模型，单击该模型并在alutest上添加，并连接引脚。

图2-4-6 添加模型

4）输入激励。点击测试模块下方的“Code”，输入激励算法。激励代码在结束的时候要用$finish 结束。

initial begin

a=0；

b=0；

op=0；

cin=0；

#1

a=3；

b=1；

op=0；

#1

a=2；

b=1；

op=1；

#1

a=255；

b=0；

op=2；

#1

a=5；

b=6；

op=3；

#1

a=128；

b=128；

op=4；

#1

a=4；

b=5；

cin=1；

op=5；

#1

a=4；

b=5；

op=6；

#1

a=4；

b=5；

op=7；

#1

a=4；

b=5；

op=0；

#1

$finish；

end

图2-4-7 激励代码

5）执行仿真并查看波形。查看输出信息。检查没有错误之后查看波形。点击右侧Workspace中的信号，进行添加并查看分析仿真结果。对照真值表，查看设计波形输入输出是否一致。

图2-4-8 查看波形

4.332位ALU设计

1）我们利用8位的ALU级联来设计一个32位的ALU，这个实验需要先行注册Robei（微信公众号），否则不能进行仿真。

2）创建一个新的模型，添加10个输入引脚，5个输出引脚，各个引脚的配置如图2-4-9所示。保存到alu模型所在的文件夹。

图2-4-9 32位ALU引脚

3）添加4个ALU连接引脚。如图2-4-10所示。4个8位的ALU进行级联，第一个输出的D连到下一级的F，最终的ALU的D连接到顶层的D引脚。第一个ALU的F连接到顶层模块的F。op都连接到顶层的op引脚上，A，B和R按照高低位进行连接。这样输入A3A2A1A0，B3B2B1B0和R3R2R1R0分别是32位ALU的输入和输出端。

图2-4-10 32位ALU设计图

4）创建一个测试文件，10个输入引脚5个输出，按照图2-4-11进行引脚配置并保存到与alu32bit模型同一个文件下。

图2-4-11 32位ALU测试文件引脚配置

5）从Toolbox里面的Current栏找alu32bit模型，并添加到测试模块上。对应引脚相连。如图2-4-12所示。

图2-4-12 32位ALU测试引脚连接

6）自己设计测试激励代码，并仿真查看结果。

图2-4-13 32位ALU仿真波形

5.问题与思考

1.不要使用8位ALU级联的方式，直接用Verilog在Robei（微信公众号）中实现一个32位或者64位ALU。

2.挑战题：在8位ALU设计上添加乘法功能，输出结果变成16位输出。利用这个ALU实现一个16位的乘法器。提示：16位乘法器分成低8位和高8位。如A[15:0]拆分成A[15:8]和A[7:0]，同样拆分B。之后用4个乘法器分别实现：

l A[7:0]×B[7:0]

l A[7:0]×B[15:8]

l A[15:8]×B[7:0]

l A[15:8]×B[15:8]

然后进行适当移位，再用加法器实现相加。 A4.3LUA4.3LUA4.3LU本篇教程出自Robei，更多精彩内容请关注Robei公众平台：Robei本篇教程出自Robei，更多精彩内容请关注Robei公众平台：Robei