我的大学之计算机组成原理系列NO.5

课题：ALU设计与验证

一、实验目的
1.熟悉 74LS181 ALU 的功能和使用方法。
2.了解运算部件的基本结构和数据传输过程，并掌握其设计和调试方法。

二、实验设备
1.装有ISE Design Suite 14.7的计算机一台
2.EDK-3 SA ISE实验平台

三、实验任务
1.对ALU模块进行仿真，验证功能的正确性
2.分析ALU功能，实现功能测试

四、实验原理

在图中，ALU 的数据输入，输出及对数据的处理都采用并行方式，ALU 的 B 输入端数据来自开关输入寄存器 B、A 输入端数据来自累加器 AC 的输出，ALU 的运算结果 F 存放在 AC 中，状态寄存器放两种特征：C 和 Z。
具体要求：
（1）数据为 4 位无符号二进制整数；
（2）完成 5 种运算功能：
1、 F＝B
2、F＝A＋ B
3、F=AB
4、 F＝A 加 B
5、 F=A 减 B
AC 的初始状态可以通过对它直接清零或者执行 F=B 操作给予置数； ALU 的控制端由开关设置；显示运算结果 AC 和状态 C、Z。
结构构思
时序
T1: AC←0，Rz←0，Rc←0
T2: D1→B→F→AC
T3: D2→B→F→AC ， AC→F→AC， C→Rc，Z→Rz
T4即：
T1（P0）： CLRac CLRc/z =H PRc=L
T2 ： ～Gb CKac F
T3 ： ～Gb CKac F CKrc CKrz
T4 ：
综合： CLR＝PRc＝PRz= P0 ～Gb=～(T2+T3) =(～T2)*(～T2)
CKac=T2M1+T3M1 CKrc=T3M1 CKrz=T3M1
74ls181 模块
MSI（中规模集成电路） 74LS181 ALU 可以对输人的两个 4 位数据 A 和B 执行 32 种算术及逻辑运算功能，其中算术、逻辑运算各 16 种，该器件有A0～A3， B0~B3 两个 4 位数据输入端， F0~F3 为结果输出端，高位进位输出端CN＋4，组成进位辅助函数 P 和 G 输出端。 S3、 S2、 S1、 S0、 Cn、 M 为控制端，其中 M 为模式控制，当 M=1 时， ALU 执行对 A， B 的逻辑运算；

                                        功能表

Ls74 模块
这是一个正沿触发双 D 型触发器

功能表 五、部分代码 部分Ls181代码：（仅例举4'b0000-4'b0011，4'b0100-4'b1111的情况类似）

		///ACTIVE HIGHT DATA
		always@(posedge clk_s)
			begin
				case(S_in)
						4'b0000 : begin
										if (M_in==1) F_out_tmp<=~A_in;else begin if (Cn==1) F_out_tmp<=A_in;else F_out_tmp<=A_in+1; end
									 end
						4'b0001 : begin
										if (M_in==1) F_out_tmp<=~(A_in|B_in);else begin if (Cn==1) F_out_tmp<=A_in|B_in;else F_out_tmp<=(A_in|B_in)+1;end
									 end
						4'b0010 : begin
										if (M_in==1) F_out_tmp<=(~A_in)&B_in;else begin if (Cn==1) F_out_tmp<=A_in|(~B_in);else F_out_tmp<=A_in|(~B_in)+1;end
									 end
						4'b0011 : begin
										if (M_in==1) F_out_tmp<=0;else begin if (Cn==1) F_out_tmp<=-1;else F_out_tmp<=0;end
									 end
			
			always@(F_out_tmp)
				begin
					if (F_out_tmp[3:0]==4'b0000)
						Zero<=1'b1;
					else
						Zero<=1'b0;
				end
endmodule

Ls74代码：

module ls74(clk_s,pre,clock,clear,din,dout
    );
	input clk_s;
	input pre;
	input clock;
	input clear;
	input din;
	output dout;
	reg dout;
	always@(posedge clk_s )
		begin
			if (pre==1) begin
				if (clear==1) begin
					if (clock==1) 
						dout<=din;
					else
						dout<=1'b0;
				end
			end
		end
endmodule

六、实验结果

1. 仿真结果
   

2. 操作现象
   根据sin、carry、kin的不同输入，可以使用不用的运算规则；Din用于输入运算的数据，可以进行算术运算与逻辑运算。

3.实验结果分析

在图中，ALU 的数据输入，输出及对数据的处理都采用并行方式，ALU 的 B 输入端数据来自开关输入寄存器 B、A 输入端数据来自累加器 AC 的输出，ALU 的运算结果 F 存放在 AC 中，状态寄存器放两种特征：C 和 Z。

本实验重要的两个模块：
1.74ls181 模块 （实现逻辑运算与算数运算）
MSI（中规模集成电路） 74LS181 ALU 可以对输人的两个 4 位数据 A 和B 执行 32 种算术及逻辑运算功能，其中算术、逻辑运算各 16 种，该器件有A0～A3， B0~B3 两个 4 位数据输入端， F0~F3 为结果输出端，高位进位输出端CN＋4，组成进位辅助函数 P 和 G 输出端。 S3、 S2、 S1、 S0、 Cn、 M 为控制端，其中 M 为模式控制，当 M=1 时， ALU 执行对 A， B 的逻辑运算：

2.Ls74 模块：一个正沿触发双 D 型触发器
3.数据传递:

Sw3数值为0时：Din拨成0011，sin拨成1010，kin拨成1，carry拨成1或0均可（逻辑运算仅与kin高低电位有关）；
Sw3数值为1时：数据传入Din、sin、kin、carry；
Sw3数值为2时：数据传入bin、acin、F（上一次运算结果存在F中）；
Sw3数值为3时：运算结果显示在acin。

七、问题思考
1.该简化版ALU与全功能ALU还有那些区别？
简化版ALU只适用于数值小于16的逻辑运算与算术运算。
全功能ALU可以对处理器控制器、内存及输入输出设备的直接读入读出。

2.节拍在ALU运行过程中起到什么作用？
一个节拍对应一个数据传递状态，即指令，节拍状态的表明了一条指令执行的步骤的次序关系。