實驗四 32 位 ALU 設計實驗

一、實驗預習要求

1. 預習《計算機組成原理》慕課附錄 3.4 節、《計算機硬體系統設計》慕課 4.3

   節。

   二、實驗目的

2. 掌握定點數加減法溢出檢測方法。
3. 了解算術邏輯運算單元 ALU 的基本構成。
4. 掌握 Logisim 中各種運算元件的使用方法：

1. 邏輯運算：與、或、非、異或
2. 算術運算：乘法器、除法器、求補器、比較器
3. 移位器

1. 熟練掌握多路選擇器的使用方法。

2. 能利用前述實驗完成的 32 位加法器（禁止使用 Logisim 自帶的加法器/減法

   器元件）和 Logisim 的運算元件構造指定規格的 ALU 單元。

三、實驗内容

使用 Logisim 軟體打開實驗電路圖“alu.circ”完成算術邏輯運算單元 ALU

子電路的設計，并在 ALU 自動測試電路中進行測試。

7. 算術邏輯運算單元 ALU 子電路設計。

8. ALU 自動測試。

先上電路圖：

實驗原理分析：

ALU 運算操作碼定義 如下：

根據OP進行操作的原理

使用資料選擇器，将op（這裡的s）所有取值的對應運算功能實作，最後根據op的值來進行資料選擇。

0，1，2操作

這三個操作類似，我們可以一起說。需要實作的運算功能，我們都可以直接在logisim中直接找到。

實驗很明顯的說到，

Y取低五位，因為x的資料位寬就是32位，是以最多隻能被移動5位（2^5=32），取Y低五位我們可以用分線器實作。

3操作

實作乘法使用乘法器即可，由于相乘可能出現溢出，R2對應端口連接配接高進位。

4操作

将x和y連接配接觸發器，将商和餘數連接配接對應端口即可。

5，6操作

加法直接連接配接加法器輸入端即可，減法我們可以看成x+(-y)，使用一個求補器将y的補碼送進加法器。

有符号加減法溢出，我們将最高位和符号位進位異或（下面有圖檔）。

無符号加法溢出很好了解，如果最高的兩位相加，産生了進位，那麼肯定就是溢出了！

無符号減法，因為我們求補碼多加了一個模，按理說就應該會産生一個進位，是以當進位為1是，其實并未溢出。進位為0，說明1（應該進的）+1（溢出的）=>0,此時是真正溢出了！是以我們要取反！

引用一張ppt吧，嘿嘿，挺簡明的。

7，8，9，10操作

根據需要實作的邏輯功能，連接配接對應即可。

11，12操作

我們可以使用現成的比較器進行比較，同時注意比較器中有 無符号和有符号的 選項，注意選擇。

此外，由于比較結果資料位寬為1位，而選擇器資料位寬為32位，這裡需要使用位擴充器。

[外鍊圖檔轉存中…(img-luESZXLn-1618490852793)]

其他細節

1） 由于不能有引腳懸空，是以不輸入的都要接地

2）result2隻在X和Y進行乘除操作才會有數值，其他時候都是0,這同樣可以使用一個 資料選擇器實作

3）同樣的，UOF和OF隻在X和Y進行加減操作才會有數值，其他時候都是0,同樣可以使用一個 資料選擇器實作

4）Equal可以在比較器的 ‘=’ 那裡直接連接配接