计算机组成原理实验报告八位补码加减法器的设计与实现.docx

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计算机组成原理实验报告八位补码加减法器的设计与实现

计算机科学与技术学院

计算机组成原理

实验报告书

实验名称

八位补码加/减法器的设计与实现

班级

学号

姓名

指导教师

日期

成绩

实验1八位补码加/减法器的设计与实现

一、实验目的

1.掌握算术逻辑运算单元（ALU）的工作原理。

2.熟悉简单运算器的数据传送通路。

3.掌握8位补码加/减法运算器的设计方法。

4.掌握运算器电路的仿真测试方法

二、实验任务

1．设计一个8位补码加/减法运算器

（1）参考图1，在QUARTUSII里输入原理图，设计一个8位补码加/减法运算器。

（2）创建波形文件，对该8位补码加/减法运算器进行功能仿真测试。

（3）测试通过后，封装成一个芯片。

2．设计8位运算器通路电路

参考下图，利用实验任务1设计的8位补码加/减法运算器芯片建立运算器通路。

3．利用仿真波形，测试数据通路的正确性。

设定各控制信号的状态，完成下列操作，要求记录各控制信号的值及时序关系。

（1）在输入数据IN7~IN0上输入数据后，开启输入缓冲三态门，检查总线BUS7~BUS0上的值与IN0~IN7端输入的数据是否一致。

（2）给DR1存入55H，检查数据是否存入，请说明检查方法。

（3）给DR2存入AAH，检查数据是否存入，请说明检查方法。

（4）完成加法运算，求55H+AAH，检查运算结果是否正确，请说明检查方法。

（5）完成减法运算，分别求55H-AAH和AAH-55H，检查运算结果是否正确，请说明检查方法。

（6）求12H+34H-56H，将结果存入寄存器R0，检查运算结果是否正确，同时检查数据是否存入，请说明检查方法。

三、实验要求

（1）做好实验预习，掌握运算器的数据传送通路和ALU的功能特性。

（2）实验完毕，写出实验报告，内容如下：

1实验目的。

2实验电路图。

3按实验任务3的要求，填写下表，以记录各控制信号的值及时序关系。

表中的序号表示各控制信号之间的时序关系。

要求一个控制任务填一张表，并

可用文字对有关内容进行说明。

序号

nsw-bus

nR0-BUS

LDR0

LDR1

LDR2

m

nalu-bus

IN7~IN0

BUS7~BUS0

④仿真波形及仿真结果的分析方法、分析过程和分析结果。

⑤实验体会与小结。

四、实验预习内容

1.实验电路设计原理及思路说明

本实验利用基本逻辑门电路设计一位全加器（FA），如表1：

表1-一位全加器（FA）电路的输入输出信号说明

信号名称

说明

输入信号

Ai

加数

Bi

加数

Ci

低位输入的进位

输出信号

Si

和

Cj

运算产生的进位

然后以此基础上实现八位补码加/减法器的设计，考虑到实现所需既可以实现加法又可以实现减法，所以使用了一个M输入来进行方式控制加减。

2.实验电路原理图

实验参考电路如下图所示，下图（a）是1位全加器的电路原理图，图（b）是由1位全加器采用行波进位方法设计的多位补码加/减法运算器。

图1-多位补码加/减法运算器原理图

图2-8位运算器通路原理图

3.实验电路功能说明

表2-一位全加器（FA）功能表

输入

输出

Ci

Bi

Ai

Si

Cj

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

表3-M与Bi异或关系原理图

M

Bi

M异或Bi

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

当M为0时，Bi与M值无关，当M为1时，Bi取反。

也就是当M为0时，执行加法运算，反之进行减法运算。

FA实现Ai与（Bi异或M）的加法运算，再加上Ci输出Si

表4-图4功能端口解析

接口

解析

输入

A[7..0]

8位信号输入（加/被减数）

B[7..0]

8位信号输入（加/减数）

M

控制信号（0加，1减）

输出

S[7..0]

输出8位计算结果

OVER

溢出信号（0不溢出，1溢出）

表5-图3功能端口解析

接口

解析

输入

IN[7..0]

8位信号输入

nsw-bus

控制输入信号（0有效，1无效）

nalu-bus

控制输入信号（0有效，1无效）

nR0-BUS

控制输入信号（0有效，1无效）

LDR0

时钟信号，上升沿有效

LDR1

时钟信号，上升沿有效

LDR2

时钟信号，上升沿有效

m

溢出信号（0不溢出，1溢出）

输出

BUS[7..0]

8位信号输出

注：

1.74244b的AGN和BGN接口与74374b的OEN接口都是低电平有效，nsw-bus，nalu-bus和nR0-BUS控制器件的输入，当输入0时，输入有效，否则无效

2.74273b的CLK接口为上升沿有效，当LDR的时钟处于上升沿，即0->1变化时，输入有效

4.器件的选型

本实验用到以下基本逻辑器件：

异或门，一位加法器FA，7486等

表6-一位全加器（FA）电路所用主要器件清单

名称

说明

AND2

二输入与门

XOR2

异或门

OR2

或门

INPUT

信号输入端子

OUTPUT

信号输出端子

表7-8位补码加/减法运算器器件清单

XOR2

二输入异或门

FA

一位加法器（自选器件）

INPUT

信号输入端子

OUTPUT

信号输出端子

表8-8位运算器通路电路

INPUT

信号输入端子

OUTPUT

信号输出端子

8位补码加/减法运算器

计算元件（自选器件）

74273b

数据缓存元件

74244b

数据缓存元件

5.实验方法与实验步骤等

本实验利用EDA工具软件（QuartusII2.0或以上版本）完成，实验分为：

原理图的录入与编辑、仿真波形的设计及仿真结果的分析这3个步骤。

具体为：

（1）原理图的录入与编译

在EDA工具软件（QuartusII2.0或以上版本）中，采用原理图的录入的方法，绘制电路原理图。

绘制完成存盘后进行编译。

编译通过后，可以进行步骤

（2）的操作。

如果编译不通过，则检查原理图，改正错误后，重新存盘并编译。

这一过程重复进行，直至原理图编译通过。

（2）仿真波形的设计

根据电路的功能，设定输入信号的初值后，利用EDA工具软件（QuartusII2.0或以上版本）的波形仿真功能，验证电路的正确性。

根据8位补码加/减法运算器的功能要求，选定8组输入信号的初值，如下表所示：

表9-一位全加器（FA）电路仿真波形输入信号初值

序号

Ci

Bi

Ai

1

0

0

0

2

0

0

1

3

0

1

0

4

0

1

1

5

1

0

0

6

1

0

1

7

1

1

0

8

1

1

1

表10-8位补码加/减法运算器仿真波形输入信号初值

序号

A（十进制）

B（十进制）

M（01信号）

S（二进制）

溢出

1

0

20

0

00010100

0

2

40

20

0

00111100

0

3

80

20

0

01100100

0

4

120

20

0

10001100

1

5

10

10

1

00000000

0

6

50

10

1

00101000

0

7

80

10

1

01000110

0

8

110

10

1

01100100

0

（3）仿真结果的分析

在EDA工具软件（QuartusII2.0或以上版本）中，新建仿真波形文件，按表所示的输入信号的初值进行设定后，进行仿真。

阅读仿真波形，对照电路功能，进行分析并给出结论。

五、实验电路图

根据电路原理图，实验时在QuartusII2.0环境里绘制的实验电路如下图所示。

图3-一位全加器（FA）

图4-8位补码加/减法运算器

图5-8位运算器通路电路

6、仿真调试的过程、仿真结果的分析和仿真测试的结论

在QuartusII2.0中新建仿真波形文件，如下图6示。

图6-一位全加器（FA）仿真结果

分析图所示的仿真波形，可得到下表所示的实验结果。

表11-一位全加器（FA）电路仿真实验结果

输入

输出

周期

时间

Ci

Bi

Ai

Si

Cj

1

0-800ns

0

0

0

0

0

2

800ns-1.6μs

0

0

1

1

0

3

1.6μs-2.4μs

0

1

0

1

0

4

2.4μs-3.2μs

0

1

1

0

1

5

3.2μs-4.0μs

1

0

0

1

0

6

4.0μs-4.8μs

1

0

1

0

1

7

4.8μs-5.6μs

1

1

0

0

1

8

5.6μs-6.4μs

1

1

1

1

1

将表9与表11相对照，可知一位全加器FA正确。

在QuartusII2.0中新建仿真波形文件，如下图7所示。

图7-8位补码加/减法运算器仿真结果

分析图所示的仿真波形，可得到下表所示的实验结果

表12-八位补码加/减法器电路仿真实验结果

输入

输出

周期

时间

A

B

M

S

OVER

1

0~5ns

0

20

0

00010100

0

2

5~10ns

40

20

0

00111100

0

3

10~15ns

80

20

0

01100100

0

4

15~20ns

120

20

0

10001100

1

5

20~25ns

10

10

1

00000000

0

6

25~30ns

50

10

1

01000110

0

7

30~35ns

80

10

1

01100100

0

8

35~40ns

110

10

1

00000100

0

表记录的实验结果与上面计算数据中要求的值一致。

经分析比较可知，本次实验设计的电路实现了八位补码加/减法器的功能。

8位运算器通路电路

（1）首先对建立好的通路进行仿真波形图测试，测试结果如图8所示。

并检查数据是否一致

图8-8位运算器通路电路仿真结果

检查图8，可知输入IN与输出BUS一致，数据一致

（2）给DR1存入55H，检查数据是否存入，请说明检查方法。

检查方法：

在DR1中存入55H，同时在DR2中存入00H，检测总线输出的数即为存入的数据，波形图如下图9：

图9

表13-时序关系图

序号

nsw-

bus

nR0-

bus

LDR0

LDR1

LDR2

Control

Nalu-

Bus

IN

[7..0]

BUS

[7..0]

1

0

0

上升沿

0

0

0

1

55H

55H

2

1

0

0

上升沿

0

0

1

00H

ZZH

3

0

0

上升沿

0

0

0

1

00H

00H

4

1

0

0

0

上升沿

0

1

55H

ZZH

5

1

0

0

0

0

0

0

55H

55H

（3）给DR2存入AAH，检查数据是否存入，请说明检查方法。

和检测DR1相同，如图10

图10

表14-时序关系图

序号

nsw-

bus

nR0-

bus

LDR0

LDR1

LDR2

Control

Nalu-

Bus

IN

[7..0]

BUS

[7..0]

1

0

0

上升沿

0

0

0

1

00H

00H

2

1

0

0

上升沿

0

0

1

00H

ZZH

3

0

0

上升沿

0

0

0

1

AAH

AAH

4

1

0

0

0

上升沿

0

1

AAH

ZZH

5

1

0

0

0

0

0

0

AAH

AAH

（4）完成加法运算，求55H+AAH，检查运算结果是否正确，请说明检查方法。

波形图如下：

图11

表15-时序关系图

序号

nsw-

bus

nR0-

bus

LDR0

LDR1

LDR2

Control

Nalu-

Bus

IN

[7..0]

BUS

[7..0]

1

0

0

上升沿

0

0

0

1

55H

00H

2

1

0

0

上升沿

0

0

1

00H

00H

3

0

0

上升沿

0

0

0

1

00H

00H

4

1

0

0

0

上升沿

0

1

AAH

00H

5

1

0

0

0

0

0

0

00H

FFH

（5）完成减法运算，分别求55H-AAH和AAH-55H，检查运算结果是否正确，请说明检查方法。

55H-AAH波形图如下：

表16-时序关系图

序号

nsw-

bus

nR0-

bus

LDR0

LDR1

LDR2

Control

Nalu-

Bus

IN

[7..0]

BUS

[7..0]

1

0

0

上升沿

0

0

1

1

55H

00H

2

1

0

0

上升沿

0

1

1

00H

00H

3

0

0

上升沿

0

0

1

1

00H

00H

4

1

0

0

0

上升沿

1

1

AAH

00H

5

1

0

0

0

0

1

0

00H

ABH

AAH-55H波形图如下：

表17-时序关系图

序号

nsw-

bus

nR0-

bus

LDR0

LDR1

LDR2

Control

Nalu-

Bus

IN

[7..0]

BUS

[7..0]

1

0

0

上升沿

0

0

1

1

55H

00H

2

1

0

0

上升沿

0

1

1

00H

00H

3

0

0

上升沿

0

0

1

1

00H

00H

4

1

0

0

0

上升沿

1

1

AAH

00H

5

1

0

0

0

0

1

0

00H

55H

（6）求12H+34H-56H，将结果存入寄存器R0，检查运算结果是否正确，同时检查数据是否存入，请说明检查方法。

①计算结果：

12H+34H-56H波形图如下：

表18-时序关系图

序号

nsw-

bus

nR0-

bus

LDR0

LDR1

LDR2

Control

Nalu-

Bus

IN

[7..0]

BUS

[7..0]

1

0

0

上升沿

0

0

0

0

12H

12H

2

1

0

0

上升沿

0

0

0

00H

ZZH

3

0

0

上升沿

0

0

0

0

34H

34H

4

1

0

0

0

上升沿

0

0

00H

ZZH

5

1

0

上升沿

0

0

0

0

00H

46H

6

1

0

0

0

上升沿

0

1

00H

ZZH

7

0

0

上升沿

0

0

0

1

56H

56H

8

1

0

0

上升沿

0

0

1

00H

ZZH

9

1

0

0

0

0

0

1

00H

F0H

7、实验体会与小结

通过这次运算器的计算机组成原理实验，我对QUARTUS2软件的使用更加得心应手，学会在这之上用门电路搭建和组合原理图并实现封装调用等等。

在实验中，我遇到很多问题，例如，在绘制电路图后，由于工程文件的存储地址错误，导致编译失败之类的问题。

并且，我一开始没有使用总线输入，导致输入有19个端，大大加重了工作量。

除此之外，我学会了把缓存器，寄存器，ALU合理的串接成为8位运算器通路。

在这之中，时序的波形设计对我来说有一定的难度，每个时钟周期里，各个部件的工作状态都不相同，必须仔细分析每个部件状态才能熟练设计。

最后，在老师的教导下，我终于完成了本次实验。

通过本次实验，我对计算机组成原理这门课有了更加深刻的理解。