计算机组成与结构实验报告现实版教程.doc

计算机组织与结构 课程实验报告 姓名： 学号： 班级： 指导教师： 实验一：算术逻辑运算单元ALU设计实验 实验内容 算术逻辑运算单元ALU设计实验 实验原理 算术逻辑单元ALU的数据通路如下所示。其中ALU181根据74LS181的功能用VHDL硬件描述语言编辑而成，构成8位字长的ALU。参加运算的两个八位数据分别为A[7..0]和B[7..0]。运算模式由S[3..0]的16种组合决定，而S[3..0]的值由4位二进制计数器LPM_COUNTER产生，计数时钟是Sclk；此外，设M=0，选择算术运算，M=1位逻辑运算，CN为低位的进位位；F[7..0]为输出结果；C0为运算后的输出进位位。两个8位数据由总线IN[7..0]分别通过两个电平锁存器74373锁入。 实验任务 （1）按原理图所示，在此验证性示例中用A0_B1（键3）产生锁存信号，将IN[7..0]的8位数据进入对应的8位数据锁存器中；即首先使A0_B1（键3）＝0，用键2、键1分别向A[7..0]置55H），这时在数码管2/1上显示输入的数据（55H）；然后用键3输入高电平1，再用键2、键1分别向B[7..0]置AAH），这时在数码管4/3上显示输入的数据（AAH）；这时表示在图中的两个8位数据锁存器lpm_dff锁存器中分别被锁入了加数55H和被加数AAH。 （2）设定键8为低电平，即M=0（允许算术操作），键6控制时钟SCLK，可设置表4-1的S[3..0]=0 ~ F。现连续按动键6，设置操作方式选择S[3..0]=9（加法操作），使数码管8显示9，以验证ALU的算术运算功能： 当键7设置cn=0（最低位无进位）时，数码管7/6/5=0FF（55H+AAH=0FFH）； 当键7设置cn=1（最低位有进位）时，数码管7/6/5=100（55H+AAH+1=100H）； （3）若设定键8为高电平，即M=1，键KEY6控制时钟SCLK，设置S[3..0]=0~F，KEY7设置cn=0或cn=1，验证ALU的逻辑运算功能，并记录实验数据。 F[7..0] SW_B 寄存器内容 S3 S2 S1 S0 M BUS A[7..0] B[7..0] 1010101010 1010101010 (4) 验证ALU181的算术运算和逻辑运算功能，下表给定了寄存器DRl=A[7..0]和DR2=B[7..0]的数据(十六进制)，要求根据此数据对照逻辑功能表所得的理论值(要求课前完成)与实验结果值进行比较(均采用正逻辑0)。 实验过程 1、设计ALU元件。在Quartus II 环境下，用文本输入编辑器Text Editor输入ALU181.VHD算术逻辑单元文件，编译VHDL文件，并将ALU181.VHD文件（例4-1）制作成一个可调用的原理图元件。 2、以原理图方式建立顶层文件工程。选择图形方式。根据图4-50输入实验电路图，从Quartus II的基本元件库中将各元件调入图形编辑窗口、连线，添加输入输出引脚。 将所设计的原理图图形文件ALU.bdf保存到原先建立的文件夹中，将当前文件设置成工程文件，以后的操作就都是对当前工程文件进行的。 3、器件选择。选择Cyclone系列，在Devices中选择器件EP1C6QC240C8。编译，引脚锁定，再编译。引脚锁定后需要再次进行编译，才能将锁定信息确定下来，同时生成芯片编程/配置所需要的各种文件。 4、芯片编程Programming（也可以直接选择光盘中的示例）。打开编程窗口。将配置文件ALU.sof下载进GW48系列现代计算机组成原理系统中的FPGA中。 5、选择实验系统的电路模式是NO.0，验证ALU的运算器的算术运算和逻辑运算功能。根据表4-1，用按键输入数据A[7..0]和B[7..0]，并设置S[3..0]、M、CN，验证ALU运算器的算术运算和逻辑运算功能，记录实验数据。 仿真波形图及分析 1、对输入进行仿真，如下图所示，分别对IN[7..0]进行赋值，同时设定计数器的值。 2、对输出结果进行仿真，0~500ns时CN设为0，可看出的值为0FFH，500~1000ns时CN的值设为1，可看出F的值为100H。 实验结果 1、按照实验任务（1）、（2）的要求，验证了ALU的算术运算功能 2、 A[7..0]，B[7..0]设置值检查如下 F[7..0] SW_B 寄存器内容 S3 S2 S1 S0 M BUS A[7..0] B[7..0] 100000000 10101010 1