實驗二 快速加法器與32位ALU設(shè)計實驗
本次實驗，進(jìn)行了五個實驗，分別是8位可控加減法電路設(shè)計、四位先行進(jìn)位電路設(shè)計、4位快速加法器設(shè)計、16位快速加法器設(shè)計、32位快速加法器設(shè)計。這次實驗報告我參照了老師所給的實驗方案設(shè)計提綱，至于電路中所遇到的問題，我會放在結(jié)尾處最后進(jìn)行整合。
1 8位可控加減法電路設(shè)計1.1設(shè)計原理
在 模擬器中打開 alu.circ 文件，在對應(yīng)子電路中利用已經(jīng)封裝好的全加器設(shè)計8位串行可控加減法電路，其電路引腳定義如圖所示，用戶可以直接使用在電路中使用對應(yīng)的隧道標(biāo)簽，其中 X，Y 為兩輸入數(shù)，Sub 為加減控制信號，S 為運(yùn)算結(jié)果輸出，Cout 為進(jìn)位輸出，OF 為有符號運(yùn)算溢出。因為我思路為將一位全加器串聯(lián)，所以為大家介紹一下全加器的原理：全加器是能夠計算低位進(jìn)位的二進(jìn)制加法電路。與半加器相比,全加器不只考慮本位計算結(jié)果是否有進(jìn)位,也考慮上一位對本位的進(jìn)位,可以把多個一位全加器級聯(lián)后做成多位全加器.
要實現(xiàn)8位可控加減法器，可以通過實驗所給的8個一位全加器串行來實現(xiàn)加法，然后通過可控反向異或門按位取反，使Sub通過置0置1來實現(xiàn)做減法時減數(shù)的補(bǔ)碼 即X + Y = X + Y + 0 ， X – Y = X + ~Y + 1。 異或門既能實現(xiàn)Y和~Y，同時還能作為Cin的0、1信號的輸入。 （OF）為運(yùn)算的有符號溢出檢測，通過最高位進(jìn)位Cn與符號位進(jìn)位Cf異或：若相同，則無溢出為0；若不同，則有溢出為1。
8位全加器包含8個1位全加器，將8個一位全加器串聯(lián)，低位進(jìn)位輸出Cout連接到高位進(jìn)位輸入Cin中，實現(xiàn)逐位從右向左傳遞，如下圖所示。
1.2 方案設(shè)計1.2.1 設(shè)計思路
這道題我的設(shè)計思路為，運(yùn)用全加器，將八個一位全加器串聯(lián)，具體實驗原理如1.1所示
1.2.2 實驗圖片
1.3 實驗步驟
1）下載實驗所需實驗包以及實驗文件，理解老師所給文件當(dāng)中對于實驗的講解
2）搞清楚實驗原理，畫出電路設(shè)計圖
3）根據(jù)實驗電路設(shè)計圖，對電路進(jìn)行連接
4）對于連線出錯的地方，進(jìn)行連接改進(jìn)，修改報錯電路
1.4故障與調(diào)試1.4.1出現(xiàn)紅線
故障現(xiàn)象：按照畫的草圖進(jìn)行連接之后，出現(xiàn)了紅線，并且無法正常運(yùn)行，存在錯誤
原因分析：出現(xiàn)紅線，經(jīng)過搜索是由于存在布線錯誤，產(chǎn)生了沖突，需要再對圖上的連線進(jìn)行檢查
解決方案：通過檢查，發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在右邊第二個邏輯門的連線上，有多余線的兩點會出現(xiàn)加粗的連接點
2 32位加法功能的原理與設(shè)計2.1設(shè)計原理
利用平臺中現(xiàn)有運(yùn)算部件構(gòu)建一個32位運(yùn)算器，32位加法器是以其他位數(shù)較小的加法器以特殊方式連接起來的，因此說介紹原理，其實就是介紹其他小位加法器的原理，我是用4位快速加法器實現(xiàn)的，因此這邊向大家介紹一下四位快速加法器的原理，高位進(jìn)位輸出可以有一致的變量Gi,Pi以及C0經(jīng)過四位先行進(jìn)位電路，加上生成Gi,Pi的與門異或門電路，再加上4個異或門就可以構(gòu)成4位快速加法器
2.2 方案設(shè)計2.2.1 設(shè)計思路
這道題我的設(shè)計思路為，將四位快速加法器按一定方式連接，，并與4位先行進(jìn)位器結(jié)合，使其能夠組成為32位快速加法器，共使用8個四位快速加法器與兩個四位先行進(jìn)位器，其中設(shè)有X0-X7,Y0-Y7,C0為輸入引腳區(qū)，S，C32,C31為輸出引腳區(qū)，S=X+Y（二進(jìn)制），最終的X,Y,S分別由X0-X7,Y0-Y7,S0-S7來決定。
2.2.2 實驗圖片
2.3 實驗步驟
1）下載實驗所需實驗包以及實驗文件，理解老師所給文件當(dāng)中對于實驗的講解，自己先畫出實驗電路圖
2）對于實驗初始的元器件進(jìn)行正確的連接，理解看清輸出以及輸入引腳
3）對于出錯誤的地方進(jìn)行調(diào)試計算機(jī)組成原理課程設(shè)計 8位帶進(jìn)位控制的運(yùn)算器設(shè)計，改錯
2.4故障與調(diào)試2.4.1接口處數(shù)據(jù)不匹配問題
故障現(xiàn)象：接口處位寬具有較大問題
原因分析：在進(jìn)行32位加法器的設(shè)計時，首先需要對于4位先行進(jìn)位進(jìn)行連接設(shè)計，但在連接時，對于接口大小數(shù)值調(diào)配不成功
解決方案：一個一個根據(jù)其數(shù)據(jù)接口處大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整到電路無錯，這個錯誤解決較為簡單，只需要調(diào)整接口就ok
2.4.2 出現(xiàn)藍(lán)線
故障現(xiàn)象：其中第四個4位加法器的連線存在問題，輸出引腳為藍(lán)線
原因分析：在網(wǎng)上進(jìn)行搜索，搜索結(jié)果顯示，在布線時，如果線變藍(lán)，表示該點值未知，
解決方案：進(jìn)行線段重連，依舊是藍(lán)色，最后選擇了重啟實驗電路，問題解決計算機(jī)組成原理課程設(shè)計 8位帶進(jìn)位控制的運(yùn)算器設(shè)計，錯誤原因依舊不能是很了解
3 加減法溢出檢測的設(shè)計3.1溢出概念
當(dāng)所存儲的數(shù)超過二進(jìn)制(固定長度)所能表示的值的范圍時, 二進(jìn)制所表示的數(shù)值出現(xiàn)錯誤, 這種現(xiàn)象稱為溢出. 溢出并非都是壞處, 在將減法轉(zhuǎn)換成加法(由補(bǔ)碼完成)就利用了溢出的特性.
溢出分兩種正溢出和負(fù)溢出, 當(dāng)兩個正數(shù)相加超出進(jìn)制表示范圍稱為正溢出, 兩個負(fù)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算超出進(jìn)制表示范圍稱為負(fù)溢出.
3.2有符號位溢出的設(shè)計
采用一位符號位，當(dāng)數(shù)值的最高位的進(jìn)位和符號位的進(jìn)位不同時，則發(fā)生了溢出；相同則沒有發(fā)生溢出
當(dāng)用異或來表示的時候，結(jié)果為1表示發(fā)生了溢出，結(jié)果為0表示無溢出
3.3無符號位溢出的設(shè)計
計算機(jī)中都是用補(bǔ)碼進(jìn)行運(yùn)算的，無符號數(shù)：左移右移都是補(bǔ)0（邏輯移位）
4 AluOP的控制原理與設(shè)計4.1 AluOP的控制原理
AluOP：4位
1、 最低位控制加減法以及前導(dǎo)0還是前導(dǎo)1
2、 倒數(shù)第二位控制作有無符號判定，有無符號數(shù)判定大家邏輯不同
3、 兩個符號位數(shù)比較，V異或S 的結(jié)果為less
4、 兩個無符號位比較，C的結(jié)果為less
4.2 AluOP的設(shè)計