ALU原理

计算机组成原理与接口技术实验

实 验 报 告

实 验 人： 学 号： 日 期： 2010-03-20

院（系）： 软件学院 专业（班级）：

实验题目： ALU设计(4位和8位)

一. 实验目的

1. 了解ALU(算术逻辑单元)的功能和使用方法

2. 认识和掌握超前（并行）进位的设计方法

3. 认识和掌握ALU的逻辑电路组成

4. 认识和掌握ALU的设计方法

二. 实验原理

从结构原理图上可推知，本实验中的ALU运算逻辑单元由4个一位的ALU运算逻辑单元组成。每一位的ALU电路由全加器和函数发生器组成。事实上，ALU的设计是在全加器的基础上，对全加器功能的扩展来实现符合要求的多种算术/逻辑运算的功能。为了实现多种功能的运算，An、Bn数据是不能直接与全加器相连接的，它们受到功能变量F3—F1的制约，因此，可由An、Bn数据和功能变量F3-F1组合成新的函数Xn 、Yn，然后，再将Xn 、Yn和下一位进位Cn-1通过全加器进行全加运算以实现所需的运算功能。ALU中，C0为最低位的进位输入端，C4为最高位的进位输出端，Sn为每一位运算结果。一位算术/逻辑运算单元的逻辑表达式（n=1、2、3、4）如下：

Sn=XnYnCn-1

Cn=XnYn+(Xn+Yn)Cn-1

令Pn=Xn+Yn

Gn=XnYn

则Cn=Gn+PnCn-1

图1 ALU的逻辑结构原理图 计算机组成原理与接口技术实验

实验要求进位位采用超前（先行、并行）进位实现。超前进位电路同时形成各位进位，因此实现快速进位，达到快速加法的目的。这种加法器称为超前进位加法器。

各超前（先行）进位位的形成根据表达式Cn=XnYn+(Xn+Yn)Cn-1来确定，其中n=1、2、3、4。后产生的进位与前进位有关，最终每个进位也只和Xn、Yn、C0有关，而Xn、Yn又是An、Bn的函数，如：

湘潭大学实验报告

课程名称： 计算机原理与组成 实验名称：_算数逻辑单元ALU_页数：5

专业： 软件工程 班级： 一班 同组者姓名：

组别：学号： 2015551331 姓名： 周佳倩 实验日期：_2016年10月13日

一、实验目的

1. 理解算术逻辑单元ALU的工作原理。

2. 掌握算术逻辑单元ALU的设计方法。

3. 验证32位算术逻辑单元ALU的加、减、与、移位功能。

4. 按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。

二、实验要求

1. 做好实验预习，掌握运算器的数据传送通路和ALU的功能特性，并熟悉本实验中所用的控制台开关的作用和使用方法。

2. 写出实验报告，内容是：

1) 实验目的；

2) 按理论分析值填写好表1-2、表1-3，给出对应的仿真波形。

3) 列表比较实验数据（2）的理论分析值与实验结果值；并对结果进行分析。实验结果与理论分析值比较，有没有不同？为什么?

4) 通过本实验，你对运算器ALU有何认识，有什么心得体会？

三、实验原理

（1）设计ALU元件

在Quartus II 环境下，用文本输入编辑器Text Editor输入ALU.V算术逻辑单元文件，编译Verilog HDL文件，并将ALU.V文件制作成一个可调用的原理图元件。

（2）以原理图方式建立顶层文件工程

选择图形方式。根据图1-1输入实验电路图，从Quartus II的基本元件库中将各元件调入图形编辑窗口、连线，添加输入输出引脚。

将所设计的图形文件ALU_sy.bdf保存到原先建立的文件夹中，将当前文件设置成工程文件，以后的操作就都是对当前工程文件进行的。

（3）器件选择

选择Cyclone系列，在Devices中选择器件EP1C12QC240C8。编译，引脚锁定，再编译。引脚锁定后需要再次进行编译，才能将锁定信息确定下来，同时生成芯片编程/配置所需要的各种文件。

（4）芯片编程Programming（可以直接选择光盘中的示例已完成的设计进行验证实验）

计算器工作原理

计算器的工作原理是基于电子技术，结合逻辑电路和数学运算算法进行运算。计算器通过按键输入数字和运算符，并将输入的数据和操作符存储在电子内存中。

当用户按下数字键时，电子元件会将输入的数字转换成二进制形式并存储在寄存器中。当用户按下运算符键时，计算器会根据输入的运算符类型进行相应的算术逻辑运算。

在进行运算过程中，计算器会使用算术逻辑单元(ALU)来执行加减乘除等运算操作。ALU是计算器的核心部件，它由一系列逻辑门和触发器组成，能够完成各种运算操作。

计算器还包含一个显示屏，用于将计算结果显示给用户。显示屏是由七段LED显示器或液晶显示器构成，它能够显示数字、运算符和其他相关结果。

当用户输入完毕并按下等号键时，计算器会触发运算过程。计算器将读取存储在内存中的数值和运算符，将其送入ALU进行计算，并将结果显示在显示屏上。

整个计算过程是通过电子元件的电流流动和逻辑运算实现的。计算器的设计旨在提供快速、准确的数学运算能力，为用户提供便捷的计算服务。

简述冯诺依曼基本原理

冯·诺依曼基本原理是计算机科学中的基础原理之一，是指现代计算机硬件和软件的设计理念。该原理是由匈牙利裔美国数学家约翰·冯·诺依曼在20世纪40年代提出的，被认为是现代计算机设计的基础。

冯·诺依曼基本原理包括以下几个方面：

1. 计算机应该由五个部分组成：输入设备、输出设备、存储器、算术逻辑单元(ALU)和控制器。

2. 计算机的程序和数据应该存储在同一块存储器中，存储器中的数据和程序可以被处理器读取和写入。

3. 计算机的处理器应该能够按照指令序列依次执行程序，执行指令的过程包括指令获取、指令解析和指令执行。

4. 计算机的处理器应该能够实现算术和逻辑运算，包括加、减、乘、除、比较等基本运算。

5. 计算机的处理器应该能够执行条件分支和循环等控制结构，使程序能够根据条件做出不同的决策和执行不同的操作。

这些原则被广泛应用于计算机的硬件和软件设计中，使得计算机能够高效地执行各种计算任务。