计算机组成原理实验：ALU设计与74181 Verilog实现详解

本篇文档是关于计算机组成原理实验中的第四次实验，着重于ALU（算术逻辑单元）的设计与实现。实验目标包括理解ALU的功能、在处理器中的作用，以及掌握其结构化设计方法和Verilog语言描述。实验者为计算机科学与技术专业的学生冯帆和张琪，在理工楼901进行。 实验内容分为几个部分： 1. 学习ALU的设计原则和流程，这涉及到了理解和应用不同的设计策略来构建ALU，包括分模块和分层次的设计思想。 2. 实践性操作，使用Verilog语言进行74181逻辑电路的设计，采用行为描述方法和结构描述方法分别实现该芯片的功能。行为描述是通过always模块和case语句来模拟各个功能，如逻辑运算、算术运算以及进位处理。结构描述则更注重硬件级的逻辑连接和信号处理。 3. 学习和应用宏模块技术，如何定制并调用ALU，这是高级设计中的一种优化手段，可以提高代码复用性和可维护性。 实验所需的硬件设备包括PC机配合Quartus II 9.0开发环境和DE2-70开发板。实验步骤具体包括： - 使用Quartus软件创建新工程和Verilog源文件。 - 编写Verilog代码，包括74181功能的实现，如使用assign语句设置中间变量temp，利用always @(*)和case语句来处理各种输入条件，如逻辑或、异或、取反等操作，同时通过p和g函数实现进位功能。 - 在代码中定义result寄存器存储运算结果，以及进位信号的处理，确保正确处理算术和逻辑运算的结果。 在整个实验过程中，学生不仅锻炼了硬件描述语言的运用能力，还深入理解了ALU在计算机系统中的核心作用，以及如何通过软件工具进行实际的电路设计和验证。这对于计算机硬件设计专业的学生来说是一次重要的实践和理论结合的机会。