間接補碼陣列乘法器的設計組成原理課程設計報告

1、<p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　課程設計名稱：計算機組成原理課程設計</p><p>　　課程設計題目：間接補碼陣列乘法器的設計</p><p>　　院（系）：計算機學院</p><p>　　專 業(yè)：計算機科學與技術</p><p><b>　　班 級：</

2、b></p><p><b>　　學 號：</b></p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p>　　完成日期：2015年1月16日</p><p><b>　

3、　目 錄</b></p><p>　　第1章 總體設計方案1</p><p>　　1.1 設計原理1</p><p>　　1.2 設計思路2</p><p><b>　　1.3設計環(huán)境3</b></p><p>　　第2章 詳細設計方案5</p>&l

4、t;p>　　2.1 頂層方案圖的設計與實現5</p><p>　　2.1.1創(chuàng)建頂層圖形設計文件5</p><p>　　2.1.2器件的選擇與引腳鎖定5</p><p>　　2.1.3編譯、綜合、適配6</p><p>　　2.2 功能模塊的設計與實現6</p><p>　　2.2.1 細胞模塊的設

5、計與實現6</p><p>　　2.2.2 全加器模塊的設計與實現7</p><p>　　2.3 仿真調試10</p><p>　　第3章 編程下載與硬件測試12</p><p>　　3.1 編程下載12</p><p>　　3.2 硬件測試及結果分析12</p><p>&

6、lt;b>　　參考文獻14</b></p><p>　　附錄（電路原理圖）15</p><p>　　第1章 總體設計方案</p><p><b>　　1.1 設計原理</b></p><p>　　由于計算機采用補碼做加減運算，所以設計陣列補碼乘法器能避免碼制轉換，提高機器效率。可以利用原碼陣列乘法

7、器來設計補碼陣列乘法器，這時需要在計算前先進行原碼--補碼的轉換。乘法器的常規(guī)設計是適用“串行移位”和“并行加法”相結合的方法，這種方法并不需要很多器件。然而串行方法畢竟太慢，不能滿足科學技術對高速乘法所提出的要求。自從大規(guī)模集成電路問世以來，高速的單元陣列乘法器應運而生，出現了各種形式的流水線陣列乘法器，它們屬于并行乘法器。陣列乘法器采用類似于人工計算的方法進行乘法運算。人工計算方法是用乘數的每一位去乘被乘數，然后將每一位權值對應相加

8、得出每一位的最終結果。如圖1.1所示，用乘數的每一位直接去乘被乘數得到部分積并按位列為一行，每一行部分積末位與對應的乘數數位對齊，體現對應數位的權值。將各次部分積求和，即將各次部分積的對應數位求和即得到最終乘積的對應數位的權值。</p><p><b>　　011010</b></p><p><b>　　* 001001</b></p&g

9、t;<p>　　____________</p><p><b>　　011010</b></p><p><b>　　000000</b></p><p><b>　　000000</b></p><p><b>　　011010</b>&

10、lt;/p><p><b>　　000000</b></p><p><b>　　000000</b></p><p>　　_______________</p><p>　　00011101010</p><p>　　圖1.1 人工計算乘法示例</p><

11、p>　　陣列乘法器采用類似人工的計算方法來完成乘法計算。陣列的每一行送入乘數的每一位數位，而各行錯開形成的每一斜列送入被乘數的每一數位。該方案所用加法器數量很多,但內部結構規(guī)則性強,標準化程度高, 適于用超大規(guī)模集成電路的批量生產。</p><p><b>　　1.2 設計思路</b></p><p>　　整體部分：陣列乘法器采用的是先逐位求解部分積，由于求解每

12、一位的部分積是并行完成的，因此可以節(jié)省很多的計算時間，由于本課程設計要求的是設計一個六位乘六位的陣列乘法器，最高位為符號位，因此此陣列乘法器的整體設計包括25個加法器模塊，加法器模塊中由一個與門和一個全加器構成，由四個與門、兩個異或門、一個三端接口的或門構成的全加器為底層設計，采用原理圖設計輸入方式，所謂的全加器就是就是兩個數X、Y及進位輸入CIN相加可得全加和POUT和進位輸出COUT，三個補碼轉換模塊。</p><

13、;p>　　單元部分：設計整體框圖中的每個細胞模塊，每個模塊實現的功能是計算部分積和向高位的進位。</p><p>　　三、仿真部分：將整個電路連好之后即可進行仿真，用以驗證設計是否正確。</p><p>　　四、下載部分：仿真成功之后即可進行此部分，在編譯、調試之后形成的*.bit文件即可下載到XCV200可編程邏輯芯片中，經硬件測試驗證設計的正確性。</p><

14、p>　　設被乘數和乘數（均為補碼）分別為A=（a6）a5a4a3a2a1，B=（b6）b5b4b3b2b1，其中a6和b6為符號位，用括號括起來表示這一位有負的位權值。根據補碼和真值的轉換可以知道(如圖1.2所示):</p><p>　　圖1.2 補碼和真值轉換公式</p><p><b>　　1.3設計環(huán)境</b></p><p>&

15、lt;b>　?。?）硬件環(huán)境</b></p><p>　　?偉福COP2000型計算機組成原理實驗儀</p><p>　　COP2000計算機組成原理實驗系統由實驗平臺、開關電源、軟件三大部分組成實驗平臺上有寄存器組R0-R3、運算單元、累加器A、暫存器B、直通/左移/右移單元、地址寄存器、程序計數器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲器單元、微地址寄存器、指令寄存器、微

16、程序控制器、組合邏輯控制器、擴展座、總線插孔區(qū)、微動開關、邏輯筆、脈沖源、20個按鍵、字符式LCD、RS232口。</p><p>　　COP2000計算機組成原理實驗系統各單元部件都以計算機結構模型布局，清晰明了，系統在實驗時即使不借助PC 機，也可實時監(jiān)控數據流狀態(tài)及正確與否, 實驗系統的軟硬件對用戶的實驗設計具有完全的開放特性，系統提供了微程序控制器和組合邏輯控制器兩種控制器方式， 系統還支持手動方式、聯機

17、方式、模擬方式三種工作方式，系統具備完善的尋址方式、指令系統和強大的模擬調試功能。</p><p><b>　　（2）EDA環(huán)境</b></p><p>　　Xilinx foundation f3.1設計軟件是Xilinx公司的可編程期間開發(fā)工具，該系統由設計入口工具、設計實現工具、設計驗證工具三大部分組成（如圖1.3所示）。</p><p>

18、;　　設計入口工具包括原理圖編輯器、有限狀態(tài)機編輯器、硬件描述語言（HDL）編輯器、LogiBLOX模塊生成器、Xilinx內核生成器等軟件。其功能是：接收各種圖形或文字的設計輸入，并最終生成網絡表文件。設計實現工具包括流程引擎、限制編輯器、基片規(guī)劃器、FPGA編輯器、FPGA寫入器等軟件。設計實現工具用于將網絡表轉化為配置比特流，并下載到器件。設計驗證工具包括功能和時序仿真器、靜態(tài)時序分析器等，可用來對設計中的邏輯關系及輸出結果進行檢

19、驗。</p><p>　　圖 1.3 Xilinx foundation f3.1設計平臺</p><p>　　?COP2000集成調試軟件</p><p>　　COP2000 集成開發(fā)環(huán)境是為COP2000 實驗儀與PC 機相連進行高層次實驗的配套軟件，它通過實驗儀的串行接口和PC 機的串行接口相連，提供匯編、反匯編、編輯、修改指令、文件傳送、調試FPGA 實驗

20、等功能，該軟件在Windows 下運行。COP2000 集成開發(fā)環(huán)境界面如圖1.4所示。</p><p>　　圖 1.4 COP2000計算機組成原理集成調試軟件</p><p>　　第2章 詳細設計方案</p><p>　　2.1 頂層方案圖的設計與實現</p><p>　　頂層方案圖實現陣列乘法器的輸入/輸出、以及乘法器的芯片連接等

21、邏輯功能，采用原理圖設計輸入方式完成，電路實現基于XCV200可編程邏輯芯片。在完成原理圖的功能設計后，把輸入/輸出信號安排到XCV200指定的引腳上去，實現芯片的引腳鎖定。</p><p>　　2.1.1創(chuàng)建頂層圖形設計文件</p><p>　　頂層圖形文件的設計實體主要由一個由全加器器和與門組成的芯片（CELL）等模塊組裝而成的一個完整的可編程邏輯芯片U37。而以上頂層圖形文件的設計可

22、利用Xilinx foundation f3.1中邏輯器件實現，頂層圖形文件結構如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 陣列乘法器的設計圖形文件結構</p><p>　　2.1.2器件的選擇與引腳鎖定</p><p><b>　?。?）器件的選擇</b></p><p>　　由于硬件設計環(huán)境是基于偉福COP200

23、0型計算機組成原理實驗儀和XCV200實驗板，故采用的目標芯片為Xilinx XCV200可編程邏輯芯片。</p><p><b>　?。?）引腳鎖定</b></p><p>　　把頂層圖形文件中的輸入/輸出信號安排到Xilinx XCV200芯片指定的引腳上去，實現芯片的引腳鎖定，各信號及Xilinx XCV200芯片引腳對應關系如表2.1所示。</p>

24、<p>　　表2.1 信號和芯片引腳對應關系</p><p>　　2.1.3編譯、綜合、適配</p><p>　　利用Xilinx foundation f3.1的原理圖編輯器對頂層圖形文件進行編譯，并最終生成網絡表文件，利用設計實現工具經綜合、優(yōu)化、適配，生成可供時序仿真的文件和器件下載編程文件。</p><p>　　2.2 功能模塊的設計與實現&

25、lt;/p><p>　　定點原碼一位乘法器的底層設計包括控制器（運算控制電路）、一個由寄存器和與門組成的芯片、加法器及兩個寄存器的實現由Xilinx XCV200可編程邏輯芯片分別實現。</p><p>　　2.2.1 細胞模塊的設計與實現</p><p>　　該模塊主要用于求解部分積、低位的進位的輸入求和、向高位的進位以及本位積。</p><p&g

26、t;　　創(chuàng)建細胞模塊設計原理圖?？刂破髟斫Y構如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 細胞模塊邏輯框圖</p><p>　?。?）創(chuàng)建元件圖形符號</p><p>　　為能在圖形編輯器（原理圖設計輸入方式）中調用CONTROLER芯片，需要為CONTROLER模塊創(chuàng)建一個元件圖形符號，可利用Xilinx foundation f3.1編譯器中的如下步驟實現

27、：Tools=>Symbol Wizard=>下一步。其中X、Y為被乘數與乘數，CI為地位的進位，CO為向高位的輸出。PAT為部分積。該元件圖形符號如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 細胞模塊元件圖形符號</p><p>　　2.2.2 全加器模塊的設計與實現</p><p>　　本設計需要用到全加器，目前在數字計算機中實現兩個二進制之間的算

28、術運算無論是加、減、乘、除，都是化做若干步加法運算進行的。因此，加法器是構成算術運算器的基本單元。將兩個多位二進制數相加時，除了最低位以外，每一位都應考慮來自低位的進位，即將兩個對應位的加數和來自低位的進位3個數相加，這種運算成為全加，所用電路稱為全加器。由于在Xilinx foundation f3.1的元件庫中未找到單全加器芯片，因此需要自行設計全加器并封裝成芯片使用。</p><p>　　全加器的邏輯設計。

29、首先先要寫出全加器的真值表，根據真值表設計邏輯電路。</p><p>　　表2.2 全加器真值表</p><p>　?。?）列出邏輯表達式并化簡</p><p>　　列出表2.1對應S、CO的卡諾圖，如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 全加器卡諾圖</p><p>　　采用合并零并求反的化簡方法化簡。得

30、到S和CO的邏輯表達式：</p><p>　　S=(+ACI+BCI+AB) </p><p>　　CO=(++) </p><p>　?。?）全加器的邏輯電路</p><p>　　選用基本的邏輯元件，按照上面兩個表達式連接電路，如圖2.5所示：</p><p>　　圖2.5 全

31、加器邏輯電路圖 </p><p>　?。?）創(chuàng)建元件圖形符號</p><p>　　完成了全加器的邏輯電路設計之后，為方便在其它電路模塊里應用，可將邏輯電路圖封裝成全加器芯片，該全加器芯片為三輸入二輸出芯片。該芯片符號如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.6 全加器圖形符號</p><p><b>　　加法器邏輯電路<

32、/b></p><p><b>　?。?）功能仿真</b></p><p>　　對創(chuàng)建的全加器器模塊進行功能仿真，驗證其功能的正確性，可用Xilinx</p><p>　　Foundation f3.1編譯器Simulator模塊實現。仿真結果如圖2.7所示：</p><p>　　圖2.7 全加器仿真結果<

33、;/p><p><b>　　2.3 仿真調試</b></p><p>　　仿真調試主要驗證設計電路邏輯功能的正確性，本設計中主要采用功能仿真方法對設計的電路進行仿真。</p><p>　?。?）建立仿真波形文件及仿真信號選擇</p><p>　　功能仿真時，首先建立仿真波形文件，選擇仿真信號，對選定的輸入信號設置參數，對波

34、形的現實比例進行調整。</p><p>　　（2）功能仿真結果與分析</p><p>　　功能仿真波形結果如圖2.8所示，仿真數據結果如表2.3所示。通過對輸入數據進行人工計算并與仿真結果進行對比，可以看出功能仿真結果是正確的，進而說明電路設計的正確性。但是僅僅憑借波形的正確與否不能完全判定設計的合理性，因此在下載到硬件實現的過程中，還要考慮硬件配置的問題，例如硬件的時鐘脈沖是上升沿還是下

35、降沿，因此在仿真時，要以硬件配置為依據，根據芯片的引腳，以及其它的硬件參數在設計好的電路的基礎上進行模擬，這樣才能保證或者說減小下載到實際芯片后失敗的幾率。</p><p>　　圖2.8 陣列乘法器功能仿真波形結果</p><p>　　表2.3 陣列仿真數據</p><p>　　經人工計算這個兩個六位二進制數011010*001001的結果為：0001110101

36、0與仿真結果完全相同，因此可基本確定該電路設計合理正確。 </p><p>　　第3章 編程下載與硬件測試</p><p><b>　　3.1 編程下載</b></p><p>　　利用COP2000仿真軟件的編程下載功能，將得到.bit文件下載到XCV200實驗板的XCV200可編程邏輯芯片中。</p>

37、;<p>　　3.2 硬件測試及結果分析</p><p>　　利用XCV200實驗板進行硬件功能測試。陣列乘法器的輸入數據通過XCV200實驗板的輸入開關實現，輸出數據通過XCV200實驗板的數碼管實現，其對應關系如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 XCV200實驗板信號對應關系</p><p>　　輸入參數作為輸入數據，逐個測試輸出結果

38、，即用XCV200實驗板的開關K0和K1控制數據輸入，同時觀察數碼管的顯示結果，得到如圖3.1所示的硬件測試結果。</p><p>　　圖3.1 硬件測試結果圖 </p><p>　　經人工計算驗證可以看出硬件測試結果是正確的，說明電路設計完全正確，由此可知結果驗證正確，間接補碼陣列乘法器設計成功。</p><p><b>　　參考文獻</b>

39、;</p><p>　　[1] 李景華. 可編程程邏輯器件與EDA技術[M].北京：東北大學出版社，2001</p><p>　　[2] 王愛英.計算機組成與結構(第4版)[M].北京：清華大學出版社，2006</p><p>　　[3] 范延濱.微型計算機系統原理、接口與EDA設計技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2006</p><p&g

40、t;　　[4] 莫正坤.計算機組成原理[M].武漢：華中理工大學出版社,1996</p><p>　　[5] 江國強.EAD技術習題與實驗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[6] 百中英.計算機組成原理(第三版)[M].北京：科學出版社，2005</p><p>　　[7] 柳春風.電子設計自動化（EAD）教程[M].北京：北京理工大學大學

41、出版社，2005</p><p>　　[8] 王愛英.計算機組成與結構(第4版)[M].北京：清華大學出版社，2006</p><p>　　[9] 閻石.數字電子技術基礎(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[10]姜雪松.可編程邏輯器件和EAD設計技術 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>