陣列除法器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 報(bào)報(bào) 告告課程設(shè)計(jì)名稱：計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：陣列除法器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)陣列除法器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)院（系）： 計(jì)算機(jī)學(xué)院專 業(yè)： 班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：姓 名： 指導(dǎo)教師：沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -0-目目 錄錄第第 1 章章 總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案.11.1 設(shè)計(jì)原理.11.2 設(shè)計(jì)思路.31.3 設(shè)計(jì)環(huán)境.3第第 2 章章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案詳細(xì)設(shè)計(jì)方案.52.1 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).52.1.1 細(xì)胞模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).52.1.2 除法器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).72.2 仿真調(diào)試.9參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).11附附 錄（電路原理圖）錄（電路原理圖）沈陽航

2、空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -1-.12沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -0-第 1 章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理在原碼除法中，原碼除法符號(hào)位是單獨(dú)處理的，商符由兩數(shù)符號(hào)位進(jìn)行異或運(yùn)算求得，商值由兩數(shù)絕對(duì)值相除求得。原碼除法中由于對(duì)余數(shù)的處理不同，又可分為恢復(fù)余數(shù)法和不恢復(fù)余數(shù)法（加減交替法） 。在機(jī)器操作中通常采用加減交替法，因?yàn)榧訙p交替法機(jī)器除法時(shí)間短，操作規(guī)則。加減交替法的運(yùn)算規(guī)則如下：（1）當(dāng)余數(shù)為正時(shí)，上商 1，余數(shù)左移一位后減去除數(shù)得下一位余數(shù)。（2）當(dāng)余數(shù)為負(fù)時(shí)，上商 0，余數(shù)左移一位后加上除數(shù)得下一位余數(shù)。陣列除法器是一種并行運(yùn)算部件，采用大規(guī)模集成電路制造，與早期的串行

3、除法器相比，陣列除法器不僅所需的控制線路少，而且能提供令人滿意的高速運(yùn)算速度。陣列除法器有多種形式，如不恢復(fù)余數(shù)陣列除法器、補(bǔ)碼陣列除法器等等。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是加減交替陣列除法器。本實(shí)驗(yàn)利用的細(xì)胞單元是一個(gè)可控加法/減法 cas 單元，利用它組成的流水陣列來實(shí)現(xiàn)四位小數(shù)的除法。cas 單元有四個(gè)輸入端、四個(gè)輸出端。其中有一個(gè)控制輸入端 p，當(dāng) p=0 時(shí)，cas 作加法運(yùn)算；當(dāng) p=1 時(shí)，cas 作減法運(yùn)算。邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖 1.1 所示。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -1-圖 1.1 可控加法/減法（cas）單元邏輯結(jié)構(gòu)圖cas 單元的輸入與輸出的關(guān)系可用如下邏輯方程來表示：si=ai（bip

4、）cici+1=(ai+ci)(bip)+aici當(dāng) p=0 時(shí)，cas 單元就是一個(gè)全加器，如下：si=aibicici+1=aibi+bici+aici當(dāng) p=1 時(shí)，則得求差公式：si=aibicici+1=aibi+bici+aici其中有 bi=bi1在減法中，輸入稱為借位輸入，而稱為借位輸出。不恢復(fù)余數(shù)法的除法即加減交替法。在不恢復(fù)余數(shù)的除法陣列中，若前一行輸出的符號(hào)與被除數(shù)的符號(hào)是一致的則這一行執(zhí)行加法，如果不一致則這一行執(zhí)行減沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -2-法。當(dāng)出現(xiàn)不夠減時(shí)，部分余數(shù)相對(duì)被除數(shù)來說要改變符號(hào)。這時(shí)應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)商位“0” ，除數(shù)首先沿對(duì)角線右移，然后加到下一

5、行的部分余數(shù)上，當(dāng)部分余數(shù)不改變它的符號(hào)時(shí)，即產(chǎn)生商位“1” ，下一行的操作應(yīng)該是減法。本實(shí)驗(yàn)就是要求用加減交替法設(shè)計(jì)陣列除法器。如下圖 1.2 所示的就是用加減交替法設(shè)計(jì)的陣列除法器，圖中每一個(gè)方框代表一個(gè) cas 單元，除數(shù)為y0y1y2y3y4；被除數(shù)為 x0x1x2x3x4。其中 x0 和 y0 是被除數(shù)和除數(shù)的符號(hào)位，均為零，商的符號(hào)恒為零，商為 0.s1s2s3s4，余數(shù)為 0.000yu1yu2yu3yu4yu5。被除數(shù)由頂部一行和最右邊的對(duì)角線上的垂直輸入線來提供，除數(shù)沿對(duì)角線方向進(jìn)入陣列。由控制信號(hào) p 來決定此行作加法還是除法，當(dāng) p=0 時(shí)，cas 作加法運(yùn)算；當(dāng) p=1

6、 時(shí)，cas 作減法運(yùn)算。1.2 設(shè)計(jì)思設(shè)計(jì)思路路在本實(shí)驗(yàn)中要求輸入得除數(shù)和被除數(shù)數(shù)據(jù)位均為四位，并用加減交替法來設(shè)計(jì)這個(gè)陣列除法器。這個(gè)可以用 cas 單元所組成的流水陣列來實(shí)現(xiàn)，四位數(shù)據(jù)位加上一個(gè)符號(hào)位，一個(gè)五位除五位的加減交替除法陣列由 55 個(gè) cas 單元組成，其中兩個(gè)操作數(shù)均為正。流水邏輯框圖如上圖 1.2 所示 1.3 設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)計(jì)環(huán)境（1）硬件環(huán)境硬件環(huán)境 偉福偉福 cop2000 型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀cop2000 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開關(guān)電源、軟件三大部分組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上有寄存器組 r0-r3、運(yùn)算單元、累加器等組成。cop2000 計(jì)

7、算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各單元部件都以計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型布局，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)時(shí)即使不借助 pc 機(jī)，也可實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流狀態(tài)及正確與否, 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件對(duì)用戶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dòng)方式、聯(lián)機(jī)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(qiáng)大的模擬調(diào)試功能。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -3- cop2000 集成調(diào)試軟件集成調(diào)試軟件cop2000 集成開發(fā)環(huán)境是為 cop2000 實(shí)驗(yàn)儀與 pc 機(jī)相連進(jìn)行高層次實(shí)驗(yàn)的配套軟件，它通過實(shí)驗(yàn)儀的串行接口和 pc 機(jī)的串行接口相連，提供匯編、反匯編、編輯、修改指令、文

8、件傳送、調(diào)試 fpga 實(shí)驗(yàn)等功能，該軟件在windows 下運(yùn)行。（2）eda 環(huán)境環(huán)境 xilinx foundation f3.1 設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)軟件xilinx foundation f3.1 是 xilinx 公司的可編程期間開發(fā)工具，該平臺(tái)功能強(qiáng)大，主要用于百萬邏輯門設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由設(shè)計(jì)入口工具、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具、設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具三大部分組成。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -4-第 2 章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案2.1 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)陣列除法器的底層設(shè)計(jì)包括 25 個(gè) cas 模塊，這個(gè) cas 模塊由 2 個(gè)或門、4 個(gè)與門和 3 個(gè)異或門邏輯組合而成。2.1.1 細(xì)胞模塊的

9、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)細(xì)胞模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1） 創(chuàng)建細(xì)胞模塊設(shè)計(jì)原理圖。創(chuàng)建細(xì)胞模塊設(shè)計(jì)原理圖。 細(xì)胞模塊原理結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示。圖 2.1 細(xì)胞塊邏輯框圖（2）創(chuàng)建元件圖形符號(hào)）創(chuàng)建元件圖形符號(hào) 為了能在圖形編輯器中調(diào)用 cas 芯片需要把它封裝，可利 xilinx foundation f3.1 編譯器中的如下步驟實(shí)現(xiàn)：tools=symbol wizard=下一步。其中 xin、yin、pin、cin 為四個(gè)輸入信號(hào)，yuout、yout、pout、cout 為四個(gè)輸出信號(hào)。用其元件圖形符號(hào)如圖 2.2 所示： 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -5-圖 2.2 細(xì)胞元件圖形符號(hào)（3）功能仿真）

10、功能仿真對(duì)創(chuàng)建的取補(bǔ)模塊進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證其功能的正確性，可用 xilinx foundation f3.1 編譯器的 simulator 模塊實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果如圖 2.4 所示：圖 2.3 細(xì)胞模塊仿真結(jié)果表 2.1 細(xì)胞模塊真值表輸入信號(hào)輸出信號(hào)xinyinpincinyuoutyoutpoutcout111101110011001110111011沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -6-111011100010101010100011110111010001100010010001110001010000000010001000將仿真結(jié)果與細(xì)胞模塊的輸入、輸出信號(hào)真值表相對(duì)比可知，細(xì)胞模塊的仿

11、真結(jié)果正確。2.1.2 除法器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)除法器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）創(chuàng)建除法器模塊設(shè)計(jì)原理圖。）創(chuàng)建除法器模塊設(shè)計(jì)原理圖。除法器模塊原理結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示：圖 2.54 除法器原理模塊框圖 （2）創(chuàng)建元件圖形符號(hào)）創(chuàng)建元件圖形符號(hào)為了能在圖形編輯器中調(diào)用 yang 芯片,需要為除法器模塊創(chuàng)建一個(gè)元件圖沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -7-形符號(hào)，可利 xilinx foundation f3.1 編譯器中的如下步驟實(shí)現(xiàn)：tools=symbol wizard=下一步。其元件圖形符號(hào)如圖 2.5 所示： 圖 2.5 選擇器元件圖形符號(hào)（3）功能仿真）功能仿真對(duì)除法器模塊進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證

12、其功能的正確性，可用 xilinx foundation f3.1 編譯器的 simulator 模塊實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果如圖 2.6 所示：沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -8- 圖 2.6 除法器模塊仿真結(jié)果圖（3）功能仿真）功能仿真對(duì)創(chuàng)建的乘數(shù)補(bǔ)碼移位寄存器模塊進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證其功能的正確性，可用 xilinx foundation f3.1 編譯器的 simulator 模塊實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果如圖 2.10 所示：2.2 仿真調(diào)試仿真調(diào)試仿真調(diào)試主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路邏輯功能、時(shí)序的正確性，本設(shè)計(jì)中主要采用功能仿真方法對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。（1）建立仿真波形文件及仿真信號(hào)選擇）建立仿真波形文件及仿真信

13、號(hào)選擇功能仿真時(shí)，首先建立仿真波形文件，選擇仿真信號(hào)，對(duì)選定的輸入信號(hào)設(shè)置參數(shù)，選定的仿真信號(hào)和設(shè)置的參數(shù)如表 2. 2 所示。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -9-輸入信號(hào)輸出信號(hào)x00y00s00yu00x11y11s11yu10x20y21s21yu21x31y30s30yu31x41y41s41yu41p1x00y00s00yu01x11y11s11yu11x21y20s20yu20x31y31s30yu30x40y41s41yu41p1表表 2.22.2 仿真信號(hào)相關(guān)參數(shù)表仿真信號(hào)相關(guān)參數(shù)表（2）功能仿真結(jié)果與分析）功能仿真結(jié)果與分析仿真結(jié)果分別如圖 2.6 所示,仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表 2

14、.2 所示。對(duì)比圖 2.6 和表 2.2，多組功能仿真結(jié)果均正確，進(jìn)而說明此電路設(shè)計(jì)的正確性。 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -10-參考文獻(xiàn) 1 曹昕燕. eda 技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)m.北京：清華大學(xué)出版社，20062 范延濱.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理、接口與 eda 設(shè)計(jì)技術(shù)m.北京：北京郵電大學(xué)出版社，20063 王愛英.計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)(第三版)m.北京：清華大學(xué)出版社，20064 白中英.計(jì)算機(jī)組成原理（第四版）m.北京：科學(xué)出版社，20095 唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理(第二版)m.北京：高等教育出版社，20086 江國(guó)強(qiáng).ead 技術(shù)習(xí)題與實(shí)驗(yàn)m.北京：電子工業(yè)出版社，2005沈陽航空航天

15、大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-11-附 錄（電路原理圖）沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-12- 課程設(shè)計(jì)總結(jié)：課程設(shè)計(jì)總結(jié)：本次課程設(shè)計(jì)，我受益匪淺。當(dāng)拿到課設(shè)題目后，我煩了想當(dāng)然的錯(cuò)誤，樂觀的認(rèn)為，題目很簡(jiǎn)單，原理很簡(jiǎn)單。但在具體實(shí)行時(shí)卻遇到許多困難，對(duì)xilinx foundation f3.1 設(shè)計(jì)軟件的陌生更加阻礙著我的進(jìn)程。于是，我決定塌下心來好好研究原理及軟件的運(yùn)用。用了一天的時(shí)間將軟件中的自帶芯片的功能查詢了一遍，基本找到需要的芯片。之后，又學(xué)習(xí)了對(duì)電路封裝的方法，再后來就能靈活的操作該軟件，這對(duì)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)很有幫助。隨后開始將各個(gè)部件連接到一起，這里也充滿學(xué)問，不是單單的組合在一起，而是要綜合考慮整體電路的節(jié)拍，以保證各個(gè)部件有序工作。沒有找到現(xiàn)成的三選一芯片，我只好自己設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的過程還真是痛苦，頭腦中不斷