算术逻辑单元（ALU）设计与实现实验

算术逻辑单元（ALU）的设计与实现 本实验的目的是掌握全加器和行波进位加法器的结构，熟悉加减法运算及溢出的判断方法，掌握算术逻辑单元（ALU）的结构，并熟练使用 SystemVerilog 语言对 ALU 进行描述和实现。 一、全加器 全加器是数字电路中最基本的组件之一，它可以将两个二进制数相加，并输出结果和进位。全加器的结构如图 2-1 所示，具有三个输入（A, B, Cin）和两个输出（S, Cout）。输入 A 和 B 各表示 1 位二进制数，两者相加，求和的结果通过 S 输出，进位通过 Cout 输出。 全加器的真值表如表 2-1 所示。根据真值表可以看到，全加器可以正确地实现二进制数的加法运算。 二、行波进位加法器 行波进位加法器（ripple-carry adder）是最简单的一种进位传播多位加法器（CPA）。它就是将 N 个全加器进行串联，每级的 Cout 就是下一级的 Cin，然后所有进位构成的通路称为进位链。 一个 3 位行波进位加法器的结构如图 2-2 所示。可以看到，行波进位加法器可以实现多位二进制数的加法运算。 三、算术逻辑单元（ALU） 算术逻辑单元（ALU）是现代计算机中执行算术和逻辑运算的数字电路。ALU 是计算机中处理器的最重要组成部分，甚至连功能最简单的微处理器也会包含 ALU。 ALU 的主要功能是进行二进制数的算术和逻辑运算，包括加法、减法、乘法（通常不含除法）、移位运算、逻辑与、逻辑或等等。一个 N 位 ALU 单元如图 2-3 所示。 ALU 有三个输入（A, B, aluop）和四个输出（alures0, alures1, zero, ov）。A 和 B 是两个 N 位的操作数，aluop 为操作类型控制信号，ALU 单元根据 aluop 信号确定对 A 和 B 进行何种操作。 使用 SystemVerilog 语言可以对 ALU 进行行为建模和结构化建模，实现 ALU 的设计和实现。 四、实验环境 实验环境包括操作系统（Windows 10 或 Ubuntu 16.04）、开发环境（Xilinx Vivado 2018.2）和硬件平台（远程 FPGA 硬件云平台）。这些环境将为实验提供必要的支持和资源。 五、实验原理 实验的原理是基于数字电路和计算机组成原理的。通过实验，可以掌握全加器和行波进位加法器的结构，熟悉加减法运算及溢出的判断方法，并掌握算术逻辑单元（ALU）的结构。同时，实验也将使用 SystemVerilog 语言对 ALU 进行描述和实现，为后续的实验奠定基础。