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文檔簡介
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(xiàn)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(xiàn)6</p><p> 2.2.1 細胞模塊的設
5、計與實現(xiàn)6</p><p> 2.2.2 全加器模塊的設計與實現(xiàn)7</p><p> 2.3 仿真調(diào)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(zhuǎn)換,提高機器效率??梢岳迷a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(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)的每一位去乘被乘數(shù),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(shù)的每一位直接去乘被乘數(shù)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(shù)數(shù)位對齊,體現(xiàn)對應數(shù)位的權值。將各次部分積求和,即將各次部分積的對應數(shù)位求和即得到最終乘積的對應數(shù)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(shù)的每一位數(shù)位,而各行錯開形成的每一斜列送入被乘數(shù)的每一數(shù)位。該方案所用加法器數(shù)量很多,但內(nèi)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(chǎn)。</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(shù)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(zhuǎn)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(xiàn)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(diào)試之后形成的*.bit文件即可下載到XCV200可編程邏輯芯片中,經(jīng)硬件測試驗證設計的正確性。</p><
14、p> 設被乘數(shù)和乘數(shù)(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(jù)補碼和真值的轉(zhuǎn)換可以知道(如圖1.2所示):</p><p> 圖1.2 補碼和真值轉(zhuǎn)換公式</p><p><b> 1.3設計環(huán)境</b></p><p>&
15、lt;b> (1)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)各單元部件都以計算機結構模型布局,清晰明了,系統(tǒng)在實驗時即使不借助PC 機,也可實時監(jiān)控數(shù)據(jù)流狀態(tài)及正確與否, 實驗系統(tǒng)的軟硬件對用戶的實驗設計具有完全的開放特性,系統(tǒng)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(tǒng)還支持手動方式、聯(lián)機
17、方式、模擬方式三種工作方式,系統(tǒng)具備完善的尋址方式、指令系統(tǒng)和強大的模擬調(diào)試功能。</p><p><b> ?。?)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(tǒng)由設計入口工具、設計實現(xiàn)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(nèi)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(wǎng)絡表文件。設計實現(xiàn)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(xiàn)工具用于將網(wǎng)絡表轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(diào)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(xiàn)</p><p> 頂層方案圖實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),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> (2)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(xiàn)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(wǎng)絡表文件,利用設計實現(xiàn)工具經(jīng)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(xiàn)&
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(xiàn)由Xilinx XCV200可編程邏輯芯片分別實現(xiàn)。</p><p> 2.2.1 細胞模塊的設計與實現(xiàn)</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(diào)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(xiàn)
27、:Tools=>Symbol Wizard=>下一步。其中X、Y為被乘數(shù)與乘數(shù),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(xiàn)</p><p> 本設計需要用到全加器,目前在數(shù)字計算機中實現(xiàn)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(shù)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(shù)和來自低位的進位3個數(shù)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(jù)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> (6)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(xiàn)。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(diào)試</b></p><p> 仿真調(diào)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> (1)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(shù),對波
34、形的現(xiàn)實比例進行調(diào)整。</p><p> ?。?)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(shù)據(jù)結果如表2.3所示。通過對輸入數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jù),根據(jù)芯片的引腳,以及其它的硬件參數(shù)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(shù)據(jù)</p><p> 經(jīng)人工計算這個兩個六位二進制數(shù)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(shù)據(jù)通過XCV200實驗板的輸入開關實現(xiàn),輸出數(shù)據(jù)通過XCV200實驗板的數(shù)碼管實現(xiàn),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?yún)?shù)作為輸入數(shù)據(jù),逐個測試輸出結果
38、,即用XCV200實驗板的開關K0和K1控制數(shù)據(jù)輸入,同時觀察數(shù)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(jīng)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(tǒng)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(shù)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>
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