计算机组成原理-实验三-多功能ALU设计实验

实验要求：   

    本实验要求设计一个具有8种运算功能的32位ALU，并能够产生运算结果的表示：结果为零标志ZF(Zero Flag)、进借位标志位CF()溢出标志OF(Overflow Flag)、符号位标志SF（Sign Flag）和奇偶标志PF（Parity Flag）,标志位值解释见代码。ALU通过4根控制线ALU_OP[3:0]来选择其8种功能，功能见表所示，多余的8位用于后继运算的拓展备用。

功能表

ALU_OP[3:0]	ALU功能	功能说明
0000	and	按位与运算
0001	or	按位或运算
0010	xor	按位异或运算
0011	nor	按位或非运算
0100	add	算术加运算
0101	sub	算术减运算
0110	slt	若A<B，则输出1;否则输出0
0111	sll	B逻辑左移A所指定的位数

实验IDE采用Vivado，开发语言Verilog。

程序模块结构图：

ALU运算器模块代码：

`timescale 1ns / 1ps
//ALU模块
module ALU(OP,A,B,F,ZF,CF,OF,SF,PF);
    parameter SIZE = 32;//运算位数
    input [3:0] OP;//运算操作
    input [SIZE:1] A;//左运算数
    input [SIZE:1] B;//右运算数
    output [SIZE:1] F;//运算结果
    output  ZF, //0标志位, 运算结果为0(全零)则置1, 否则置0 
            CF, //进借位标志位, 取最高位进位C,加法时C=1则CF=1表示有进位,减法时C=0则CF=1表示有借位
            OF, //溢出标志位，对有符号数运算有意义，溢出则OF=1，否则为0
            SF, //符号标志位，与F的最高位相同
            PF; //奇偶标志位，F有奇数个1，则PF=1，否则为0
    reg [SIZE:1] F;
    reg C,ZF,CF,OF,SF,PF;//C为最高位进位
    always@(*)
    begin
        C=0;
        case(OP)
            4'b0000:begin F=A&B; end    //按位与
            4'b0001:begin F=A|B; end    //按位或
            4'b0010:begin F=A^B; end    //按位异或
            4'b0011:begin F=~(A|B); end //按位或非
            4'b0100:begin {C,F}=A+B; end //加法
            4'b0101:begin {C,F}=A-B; end //减法
            4'b0110:begin F=A<B; end    //A<B则F=1，否则F=0
            4'b0111:begin F=B<<A; end   //将B左移A位
        endcase
        ZF = F==0;//F全为0，则ZF=1
        CF = C; //进位借位标志
        OF = A[SIZE]^B[SIZE]^F[SIZE]^C;//溢出标志公式
        SF = F[SIZE];//符号标志,取F的最高位
        PF = ~^F;//奇偶标志，F有奇数个1，则F=1；偶数个1，则F=0
    end     
endmodule

测试模块代码：

`timescale 1ns / 1ps
module Test();
    reg [31:0] A,B;
    reg [3:0] OP;
    initial//初始化，每中运算擦拭两组数据
    begin
        /*按位与*/
            OP=4'b0000;A=32'h0000_0000; B=32'h0000_0001;#50;
            OP=4'b0000;A=32'h0000_0001; B=32'h0000_0001;#50;
        /*按位或*/
            OP=4'b0001;A=32'h0000_0000; B=32'h0000_0001;#50;
            OP=4'b0001;A=32'h0000_0000; B=32'h0000_0000;#50;
        /*按位异或*/
            OP=4'b0010;A=32'h0000_0000; B=32'h0000_0001;#50;
            OP=4'b0010;A=32'h0000_0000; B=32'h0000_0000;#50;
        /*按位或非*/
            OP=4'b0011;A=32'h0000_0000; B=32'h0000_0001;#50;
            OP=4'b0011;A=32'h0000_0000; B=32'h0000_0000;#50;
        /*算术加运算*/
            OP=4'b0100;A=32'h7FFF_FFFF; B=32'h7FFF_FFFF;#50;
            OP=4'b0100;A=32'hFFFF_FFFF; B=32'hFFFF_FFFF;#50;
        /*算术减运算*/
            OP=4'b0101;A=32'h7FFF_FFFF; B=32'h7FFF_FFFD;#50;
            OP=4'b0101;A=32'h7FFF_FFFF; B=32'hFFFF_FFFF;#50;
        /*A<B时,输出1，否则输出0*/
            OP=4'b0110;A=32'h7FFF_FFFF; B=32'h8FFF_FFFF;#50;
            OP=4'b0110;A=32'hFFFF_FFFF; B=32'h7FFF_FFFF;#50;
        /*B逻辑左移A指定的位数*/
            OP=4'b0111;A=32'h0000_0001; B=32'h0000_0001;#50;
            OP=4'b0111;A=32'h0000_0001; B=32'h0000_0008;#50;
    end
    wire [31:0] F;
    wire ZF, CF, OF, SF, PF;
    ALU ALU_test(
        .OP(OP),
        .A(A),
        .B(B),
        .F(F),
        .ZF(ZF),
        .CF(CF),
        .OF(OF),
        .SF(SF),
        .PF(PF)
    );
    
endmodule

仿真波形图：

仿真电路图：

心得体会：

    总的来说实验三不是很难吧，本来书上的要求是做OP[2:0]三位8中运算，标志位也没有那么多。章老师开了翻转课堂，给我们加了一些要求。这是本学期我们的第一个实验，很多Verilog的语法都忘记了，磕磕碰碰和组员讨论，debug。非常感谢另外两个小伙伴lym和tk。