运算器设计(Logisim实现)

实验平台介绍

1、Logisim软件是一种用于设计和模拟数字逻辑电路的工具。其简单的工具栏界面和构建它们时的电路仿真,使得它非常简单,有助于学习与逻辑电路相关的基本概念。由于能够从较小的子电路构建更大的电路,并通过单个鼠标拖动来绘制电线束,因此可以达到使用Logisim来设计和模拟整个CPU目的。

实验任务

     1、多位串行加法器和多位可控加减电路的设计

     (1)设计完成8位串行加法器

     (2)找到“☆8位可控加减法器”子电路,仿真验证设计的正确性。

     2、快速加法器的设计

    (1)利用相关知识设计4位先行进位电路。

    (2)利用设计的4位先行电路构造4位快速加法器。

    (3)利用4位快速加法器构造16位的快速加法器。

    (4)再利用16位的快速加法器构造32位的快速加法器。

    3、多位算术逻辑单元ALU设计

    (1)利用设计的32位快速加法器和Logisim中的组件设计完成指定规格的32位  ALU单元。

    (2)利用“ALU自动测试”电路测试ALU各种运算功能

### 32MIPS运算器设计实现 #### 设计目标 通过本设计,学生应能够理解算术逻辑运算单元(ALU)的基本构成,并熟练掌握Logisim中的各种运算组件的使用方法。此外,还需熟悉多路选择器的功能及其应用方式[^1]。 #### 主要功能需求 为了满足实验要求,所设计的ALU需具备如下能力: - 支持基本的算术操作:加法、减法、乘法和除法。 - 提供多种逻辑运算功能:与、或、非、异或。 - 实现必要的数据移动指令:逻辑左移、逻辑右移、算术右移。 - 设置常用的程序状态标志:有符号溢出(OF)、无符号溢出(UOF),以及结果相等(Equal)[^2]。 #### 方案概述 设计方案的核心在于合理运用已有的资源——即之前封装完成的32加法器和其他可用的运算组件来构建完整的ALU模块。特别需要注意的是,在此过程中不得调用Logisim平台预置的加法器或减法器元件[^3]。 以下是具体的实施步骤描述: ##### 构建基础结构 首先定义好各个端口参数,包括但不限于两个32比特的操作数X,Y;四比特长度表示不同运算类型的控制信号ALU_OP;还有几个单比特的状态指示灯如OF,UOF,Equal等输出线路上的结果展示区Result及特殊用途下的辅助计算区域Result2[^4]。 ```python def alu(x, y, op_code): result = None of_flag = False uof_flag = False equal_flag = (x == y) if op_code == 'add': sum_ = adder(x, y) of_flag = check_overflow_signed(sum_, x, y) uof_flag = check_overflow_unsigned(sum_, x, y) result = sum_ elif op_code == 'sub': diff = subtractor(x, y) of_flag = check_underflow_signed(diff, x, y) uof_flag = check_underflow_unsigned(diff, x, y) result = diff # ... other operations ... return { "result": result, "overflow_signed": of_flag, "overflow_unsigned": uof_flag, "equal": equal_flag } ``` 上述伪代码展示了如何根据不同op_code执行相应操作并设置对应的状态标志. ##### 测试验证环节 最后一步是在主电路上全面检验自制ALU的表现情况,记录其优点同时也指出可能存在的不足之处以便改进优化。 ---
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