[信息与通信]具有乘法辅助功能的算术ALU设计.pdf

复杂数字系统设计报告 学 院： 电子工程学院 专 业： 电子与通信工程 班 级： 研 2－108 学生姓名： 童 源 学 号： 1075490268 具有乘法辅助指令的 16-bit ALU 的设计 一、设计要求 设计一个具有乘法辅助指令的 16-bit 算术逻辑单元 (ALU) 。 （1） 完成普通 ALU 的全部功能。 逻辑运算：“与(and) ”、“或(or) ”、“非(not) ”、“异或(xor) ”； 移位运算（每条指令实现 1-bit 移位）：“逻辑左移(lsl) ”、“逻辑右移 (lsr) ”、“算数右移(asl) ”； 算数运算：“加(add) ”、“减 (sub) ”、“带进位加(addc) ”、“带借位减 (subc) ”； （2 ） 具有状态标志产生寄存功能。包括“零标志位(z) ”、“进位标志 (c) ”、“负 标志 (n) ”、“溢出标志 (o) ”。 （3 ） 指令(OpCode)为 4-bit 编码，自行确定；运算操作数来两个寄存器 (OpX OpY) ，输出结果分别存储与 ALU 结果寄存器 AR(16-bit)和乘积寄存器 MH:ML(32 -bit) 中。 （4 ） 具有多周期乘法辅助指令(ppgen) 。 （5） 加减法指令采用超前进位加法器(CLA)实现，乘法辅助指令采用修正Booth 算法的移位式乘法电路实现。 （6） 采用Top-Down设计方法，用Verilog HDL进行电路结构级和RTL级描述。 设计完备的测试向量集，对所设计的电路进行完善的功能验证，并给出详 细的ModelSim仿真结果。 下图为设计电路的参考结构框图。 图 1 具有乘法辅助指令的 16-bit ALU 参考结构框图 二、ALU 概述 算术逻辑单元是所有数字信号处理设备必不可少的运算部件，同时也是应用 最为灵活和使用频率最高的部件。ALU 主要完成两个输入操作数相加、相减、 相乘、相除算术运算及求‘与’、‘或’、‘异或’和‘非’等逻辑运算以及各种移位运算 等。ALU 中还设有运算结果的判定电路和相关的状态标志寄存器，可以对数据 运算结果的性质与状态进行检测和保存，供进一步处理时应用。 典型的算术运算单元（ALU ）如下图所示： 图2 典型 ALU 单元框图 可知典型的算术运算单元主要包括：指令译码单元、逻辑运算单元、移位运 算单元、加/减法器、多路数据选择器、状态标志寄存器。 本文的设计是在典型单元的基础上，按照图 1 的结构框图进行设计。由于设 计需要实现 16 位乘法功能，所以扩展了乘法控制模块，另外为了使设计的 ALU 模块实用，增添了通用寄存器组。本文设计的主要单元为：数据控制单元（由译 码单元改写）、逻辑运算单元、移位运算单元、加/减法器、多路数据选择器、状 态标志寄存器、乘法控制单元。 ALU 单元各模块功能为：数据控制单元根据指令进行译码，控制各个模块有 序工作。逻辑运算单元完成指令的逻辑操作。移位运算单元完成指令的移位操作。 加/减法器完成加减运算，以及在乘法控制模块的控制下完成乘法操作。多路数 据选择器完成运算结果的选取（本设计中包括送入加减法器乘法和加/减法操作 数的选择）。状态寄存器根据相应的操作产生对应的状态。乘法控制模块控制加 减法器实现多周期的乘法操作。 ALU 单元的操作步骤为：数据控制单元接收前级传出的指令，同时通用寄存 器组产生所需操作数。数据控制单元根据译码结果选择逻辑运算单元、移位运算 单元、算术运算单元（加/减法器）和乘法控制单元的执行相应的操作，然后控 制多路数据选择器选择操作结果，送入