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计算机组成原理实验报告 算术逻辑单元ALU实验(源代码全）

算术逻辑单元ALU实验

  • 一. 实验目的
  • 二. 实验设备
  • 三. 实验任务
  • 四. 实验步骤
  • 五、结果记录和分析

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设计方法。 3.验证32位算术逻辑单元ALU加、减、和、移位等基本功能。 4.选择几组数据，完成几个算术/逻辑操作。

二. 实验设备

1、 装有Xilinx Vivado一台计算机。 2、LS-CPU-EXB-一套002教学系统实验箱。

三. 实验任务

1、学习MIPS指令集，熟悉指令类型，了解指令功能和编码，总结基础ALU运算指令。 2.总结并确定本实验准备实现的目标ALU至少需要5种操作要求ALU操作，包括加减操作，其中减法在内部转换为加法，见表1-1。 表1-1 ALU的控制信号 选择端aluc ALU功能 3 2 1 0

  • 0 0 0

  • 0 0 1

  • 0 1 0

  • 0 1 1

  • 1 0 0

  • 1 0 1

  • 1 1 0

0 1 1 1

1 1 1 1

3.根据图1-1所示的结构框图设计实验方案Verilog编写相应的代码。 在这里插入图片描述 4、 模拟编写的代码，得到正确的波形图。 5.以上设计为单独模块，设计外围模块调用模块，如图1-2所示。包装好的外围模块需要调用LCD显示触摸屏模块ALU两个源的操作数、操作码和操作结果，以及触摸功能输入源的操作数。可以考虑操作代码LCD也可以用拨码开关输入触摸屏输入。 6.综合布局编写的代码，下载到试验箱中FPGA演示板上。

四. 实验步骤

  • 这里给出实验代码。请阅读具体的实验步骤
alu.v module alu(a,b,aluc,r,z);  input [31:0] a,b;  input [3:0] aluc;  output [31:0] r;  output z;  assign r = cal (a,b,aluc);  assign z = ~|r;    function [31:0] cal;   input [31:0] a,b;   input [3:0] aluc;   casex(aluc)    4'b0000: cal = a   b;//加    4'b0001: cal = a&b;
			4'b0010: cal = a^b;
			4'b0011: cal = b<<a[4:0];
			4'b0100: cal = a-b;
			4'b0101: cal = a|b;
			4'b0110: cal = { 
        b[15:0],16'h0};
			4'b0111: cal = b>>a[4:0];
			4'b1111: cal = $signed(b) >>> a[4:0];//算术右移
		endcase
	endfunction
endmodule


alu-display.v
//*************************************************************************
// > 文件名: alu_display.v
// > 描述 ：ALU显示模块，调用FPGA板上的IO接口和触摸屏
// > 作者 : LOONGSON
// > 日期 : 2016-04-14
//*************************************************************************
module alu_display(
    //时钟与复位信号
     input clk,
    input resetn,    //后缀"n"代表低电平有效

    //拨码开关，用于选择输入数
    input [1:0] input_sel, //00:输入为控制信号(alu_control)
                           //10:输入为源操作数1(alu_src1)
                           //11:输入为源操作数2(alu_src2)

    //触摸屏相关接口，不需要更改
    output lcd_rst,
    output lcd_cs,
    output lcd_rs,
    output lcd_wr,
    output lcd_rd,
    inout[15:0] lcd_data_io,
    output lcd_bl_ctr,
    inout ct_int,
    inout ct_sda,
    output ct_scl,
    output ct_rstn
    );
//-----{调用ALU模块}begin
    reg   [3:0] alu_control;  // ALU控制信号
    reg   [31:0] alu_src1;     // ALU操作数1
    reg   [31:0] alu_src2;     // ALU操作数2
    wire  [31:0] alu_result;   // ALU结果
    wire         alu_z;
    alu alu_module(
        .aluc(alu_control),
        .a   (alu_src1   ),
        .b   (alu_src2   ),
        .r   (alu_result ),
        .z   (alu_z)
    );
//-----{调用ALU模块}end

//---------------------{调用触摸屏模块}begin--------------------//
//-----{实例化触摸屏}begin
//此小节不需要更改
    reg         display_valid;
    reg  [39:0] display_name;
    reg  [31:0] display_value;
    wire [5 :0] display_number;
    wire        input_valid;
    wire [31:0] input_value;

    lcd_module lcd_module(
        .clk            (clk           ),   //10Mhz
        .resetn         (resetn        ),

        //调用触摸屏的接口
        .display_valid  (display_valid ),
        .display_name   (display_name  ),
        .display_value  (display_value ),
        .display_number (display_number),
        .input_valid    (input_valid   ),
        .input_value    (input_value   ),

        //lcd触摸屏相关接口，不需要更改
        .lcd_rst        (lcd_rst       ),
        .lcd_cs         (lcd_cs        ),
        .lcd_rs         (lcd_rs        ),
        .lcd_wr         (lcd_wr        ),
        .lcd_rd         (lcd_rd        ),
        .lcd_data_io    (lcd_data_io   ),
        .lcd_bl_ctr     (lcd_bl_ctr    ),
        .ct_int         (ct_int        ),
        .ct_sda         (ct_sda        ),
        .ct_scl         (ct_scl        ),
        .ct_rstn        (ct_rstn       )
    ); 
//-----{实例化触摸屏}end

//-----{从触摸屏获取输入}begin
//根据实际需要输入的数修改此小节，
//建议对每一个数的输入，编写单独一个always块
    //当input_sel为00时，表示输入数控制信号，即alu_control
    always @(posedge clk)
    begin
        if (!resetn)
        begin
            alu_control <= 12'd0;
        end
        else if (input_valid && input_sel==2'b00)
        begin
            alu_control <= input_value[11:0];
        end
    end
    
    //当input_sel为10时，表示输入数为源操作数1，即alu_src1
    always @(posedge clk)
    begin
        if (!resetn)
        begin
            alu_src1 <= 32'd0;
        end
        else if (input_valid && input_sel==2'b10)
        begin
            alu_src1 <= input_value;
        end
    end

    //当input_sel为11时，表示输入数为源操作数2，即alu_src2
    always @(posedge clk)
    begin
        if (!resetn)
        begin
            alu_src2 <= 32'd0;
        end
        else if (input_valid && input_sel==2'b11)
        begin
            alu_src2 <= input_value;
        end
    end
//-----{从触摸屏获取输入}end

//-----{输出到触摸屏显示}begin
//根据需要显示的数修改此小节，
//触摸屏上共有44块显示区域，可显示44组32位数据
//44块显示区域从1开始编号，编号为1~44，
    always @(posedge clk)
    begin
        case(display_number)
            6'd1 :
            begin
                display_valid <= 1'b1;
                display_name  <= "SRC_1";
                display_value <= alu_src1;
            end
            6'd2 :
            begin
                display_valid <= 1'b1;
                display_name  <= "SRC_2";
                display_value <= alu_src2;
            end
            6'd3 :
            begin
                display_valid <= 1'b1;
                display_name  <= "CONTR";
                display_value <={ 
        20'd0, alu_control};
            end
            6'd4 :
            begin
                display_valid <= 1'b1;
                display_name  <= "RESUL";
                display_value <= alu_result;
            end
	6'd5 :
            begin
                display_valid <= 1'b1;
                display_name  <= "ZF";
                display_value <= alu_z;
            end
            default :
            begin
                display_valid <= 1'b0;
                display_name  <= 40'd0;
                display_value <= 32'd0;
            end
        endcase
    end
//-----{输出到触摸屏显示}end
//----------------------{调用触摸屏模块}end---------------------//
endmodule


alu_tb.v代码如下：
module testbench;
    // Inputs
    reg [31:0] a;
    reg [31:0] b;
    reg [3:0] aluc;
    //output
    wire [31:0] r;
    wire z;
    //Instantiate the Unit Under Test(UUT)
    alu uut(
     .a(a),
     .b(b),
     .r(r),
     .aluc(aluc),
     .z(z)
     );
    initial begin
    // Initialize Inputs
    a=0;
    b=0;
    aluc=0;
    //Wait 100ns for global reset to finish
    #100;
    //Add stimulus here
    end
    always #10 a=$random;//$random为系统任务，产生一个随机的32位数
    always #10 b=$random; //#10表示等待10个单位时间(10ns)，即每过10ns，赋值一个随机的32位数
    always #10  aluc= { 
        $random}%2; //加了拼接符，{$random}产生一个非负数，除2取余得到0或1
endmodule


alu.xdc文件如下：
set_property PACKAGE_PIN AC19 [get_ports clk]

set_property PACKAGE_PIN Y3 [get_ports resetn]

set_property PACKAGE_PIN AC22   [get_ports input_sel[0]]
set_property PACKAGE_PIN AD24 [get_ports input_sel[1]]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports resetn]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports input_sel[1]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports input_sel[0]]
set_property PACKAGE_PIN J25 [get_ports lcd_rst]
set_property PACKAGE_PIN H18 [get_ports lcd_cs]
set_property PACKAGE_PIN K16 [get_ports lcd_rs]
set_property PACKAGE_PIN L8 [get_ports lcd_wr]
set_property PACKAGE_PIN K8 [get_ports lcd_rd]
set_property PACKAGE_PIN J15 [get_ports lcd_bl_ctr]
set_property PACKAGE_PIN H9 [get_ports { 
        lcd_data_io[0]}]
set_property PACKAGE_PIN K17 [get_ports { 
        lcd_data_io[1]}]
set_property PACKAGE_PIN J20 [get_ports { 
        lcd_data_io[2]}]
set_property PACKAGE_PIN M17 [get_ports { 
        lcd_data_io[3]}]
set_property PACKAGE_PIN L17 [get_ports { 
        lcd_data_io[4]}]
set_property PACKAGE_PIN L18 [get_ports { 
        lcd_data_io[5]}]
set_property PACKAGE_PIN L15 [get_ports { 
        lcd_data_io[6]}]
set_property PACKAGE_PIN M15 [get_ports { 
        lcd_data_io[7]}]
set_property PACKAGE_PIN M16 [get_ports { 
        lcd_data_io[8]}]
set_property PACKAGE_PIN L14 [get_ports { 
        lcd_data_io[9]}]
set_property PACKAGE_PIN M14 [get_ports { 
        lcd_data_io[10]}]
set_property PACKAGE_PIN F22 [get_ports { 
        lcd_data_io[11]}]
set_property PACKAGE_PIN G22 [get_ports { 
        lcd_data_io[12]}]
set_property PACKAGE_PIN G21 [get_ports { 
        lcd_data_io[13]}]
set_property PACKAGE_PIN H24 [get_ports { 
        lcd_data_io[14]}]
set_property PACKAGE_PIN J16 [get_ports { 
        lcd_data_io[15]}]
set_property PACKAGE_PIN L19 [get_ports ct_int]
set_property PACKAGE_PIN J24 [get_ports ct_sda]
set_property PACKAGE_PIN H21 [get_ports ct_scl]
set_property PACKAGE_PIN G24 [get_ports ct_rstn]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_rst]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_cs]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_rs]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_wr]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_rd]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_bl_ctr]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[8]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[9]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[10]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[11]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[12]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[13]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[14]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { 
        lcd_data_io[15]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_int]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_sda]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_scl]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_rstn]
拨码开关的连接，通过AC22、AD24拨码开关来控制输入SRC_1,SRC_2,CONTR的值

五．结果记录及分析

(1) 仿真波形

标签： 连接器j15

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