组成原理课设阵列乘法器解剖13531.pdf

沈阳航空工业学院 课 程 设 计 报 告 课程设计名称：计算机组成原理课程设计 课程设计题目：阵列乘法器的设计 院（系）：计算机学院 专 业：计算机科学与技术 班 级：4401102 学 号：200403011062 姓 名：余 舟 华 指导教师：李 平 完成日期：2006年12月31日 沈阳航空工业学院课程设计报告 -16-目 录 、.错误！未定义书签。第 1 章 总体设计方案.1 1.1 设计原理.1 1.3 设计环境.3 第 2 章 详细设计方案.4 2.1 顶层方案图的设计与实现.4 2.1.1 创建顶层图形设计文件.4 2.1.2 器件的选择与引脚锁定.4 2.2 功能模块的设计与实现.5 2.3 仿真调试.9 第 3 章 编程下载与硬件测试.10 3.1 编程下载.10 3.2 硬件测试及结果分析.10 参考文献.12 附录：电路图.13 沈阳航空工业学院课程设计报告 第 1 章 总体设计方案 -16-第 1 章 总体设计方案 1.1 设计原理 串行方法毕竟太慢，执行一次乘法的时间至少是执行一次加法时间的n 倍，不能满足科学技术对高速乘法所提出的要求。自从大规模集成电路问世以来，高速的单元阵列乘法器应运而生，出现了各种形式的硬件乘法器的常规设计是适用“串行移位”和“并行加法”相结合的方法，这种方法并不需要很多器件。然而流水线阵列乘法器，它们属于并行乘法器，提供了极快的速度。如图所示的一个阵列乘法器完成 X*Y 乘法运算（X=X1X2X3X4，Y=Y1Y2Y3Y4）。阵列的每一行送入乘数 Y 的每一位数位，而各行错开形成的每一斜列则送入被乘数的每一数位。图中每一个方框包括一个与门和一个两位全加器。阵列乘法器的原理框图如图 1.1 所示，X4：1，Y4：1分别是乘数和被乘数输入端，MULT8：1为乘积输出端。沈阳航空工业学院课程设计报告 第 1 章 总体设计方案 -16-图 1.1 阵列乘法器原理框图 阵列乘法器实现的功能是计算两个四位二进制间的算法，由数据总线将乘数Y4：1和被乘数 X4：1送到乘法器中，经阵列乘法器计算出结果由总线 MULT8：1输出。阵列乘法器是由相同的细胞块构成，呈阵列阵型。阵列乘法器完 X*Y 乘法运算 X=X1X2X3X4，Y=Y1Y2Y3Y4）。阵列的每一行送入乘数 Y 的每一位数位，而各行错开形成的每一斜列则送入被乘数的每一数位。在设计的电路中，有许多相同的细胞块组成，而细胞块包括一个与门和一个2 位全加器。X、Y、PIN、CIN 是输入，COUT、POUT 是输出。在设计的过程中，采用的是由内到外封装，也就是先将最底层电路封装到创建的器件中，由外到内一层套一层。整个阵列乘法器主要由阵列块组成，而 阵列块是由与门和二位全加器组成，所以在封装的时候，先把二位全加器封装到ADD2 中，然后将 ADD2 和与门封装到细胞块 PART 中，最后将 PART 封装到乘沈阳航空工业学院课程设计报告 第 1 章 总体设计方案 -16-法器 MUX 中，和输入、输出组成完整的电路。阵列乘法器的整体设计主要是由相同的细胞块实现的，而细胞块包含两输入与门模块和二位全加器模块，两输入与门模块和全加器模块作为底层设计，采用原理图设计输入方式，顶层的全加器采用原理图设计输入方式。1.3 设计环境 硬件环境：伟福 COP2000 型计算机组成原理实验仪、XCV200 实验板、微机。EDA 环境：FOUNDATION 设计软件。主要用于百万逻辑门设计。该系统由设计入口工具、设计实现工具、设计验证工具三大部分组成。设计入口工具包括原理图编辑器、有限状态机编辑器、硬件描述语言（HDL）编辑器、LogiBLOX模块生成器、Xilinx 内核生成器等软件。气功能是：接收各种图形或文字的设计输入，并最终生成网络表文件。设计实现工具包括流程引擎、限制编辑器、基片规划器、FPGA 编辑器、FPGA 写入器等软件。设计实现工具用于将网络表转化为配置比特流，并下载到器件。时设计验证工具包括功能和时序仿真器、静态时序分析器等，可用来对设计中的逻辑关系及输出结果进行检验，并详尽分析各个时序限制的满足情况。COP2000 集成开发环境是为 COP2000 实验仪与 PC 机相连进行高层次实验的配套软件，该软件在 Windows 下运行。沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-第 2 章 详细设计方案 2.1 顶层方案图的设计与实现 顶层方案图实现阵列乘法的逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，电路实现基于 XCV200 可编程逻辑芯片。在完成原理图的功能设计后，把输入/输出信号安排到 XCV200 指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定。2.1.1 创建顶层图形设计文件 顶层图形文件主要由三大块组成：分别是乘数、被乘数的输入、乘积输出、和自己封装的乘法器件 MUX 组装而成的一个完整的设计实体。可利用 Xilinx ISE ECS 模块实现顶层图形文件的设计，顶层图形文件结构如图 2.1 所示。图 2.1 阵列乘法器的顶层图形文件结构 2.1.2 器件的选择与引脚锁定（1）器件的选择 由于硬件设计环境是基于伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板，故采用的目标芯片为 Xlinx XCV200 可编程逻辑芯片。（2）引脚锁定 把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到 Xlinx XCV200 芯片指定的引脚上沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-去，实现芯片的引脚锁定，各信号及 Xlinx XCV200 芯片引脚对应关系如表 2.1所示。芯片和管脚对应表：芯片内部信号 图形文件中的输入、输出信号 对应的管脚 X1 A1 P94 X2 A2 P95 X3 A3 P96 X4 A4 P97 Y1 B1 P100 Y2 B2 P101 Y3 B3 P12 Y4 B4 P103 MULT1 M1 P215 MULT2 M2 P216 MULT3 M3 P217 MULT4 M4 P218 MULT5 M5 P220 MULT6 M6 P221 MULT7 M7 P222 MULT8 M8 P223 2.2 功能模块的设计与实现 功能模块中，包括乘法器（MUX）、细胞块（PART）、全加器都是由逻辑框图设计实现的。沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-2.2 细胞块 PART 的设计与实现（1）创建元件图形符号：细胞块由一个与门和一个全加器实现，其中 X、Y、PIN、CIN 是输入端，COUT、POUT 是输出端：（2）实现器件功能：（3）功能仿真 对创建的半加器元件（H_ADDER）进行功能仿真，验证其功能的正确性，可用 Xilinx ISE 编译器的 Simulator 模块实现。沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-功能仿真波形结果如图所示，仿真数据结果如表所示。对表与表的内容进行对比，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性。2.2.3 乘法器的设计与实现 (1)创建图形符号 其中 X4：1是被乘数输入、Y4：1是乘数输入，MULT8：1是乘积输出，都是经过总线传输的。X Y PIN CIN POUT COUT 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-(2)器件实现 XYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDX1X2X3X4X4:1Y4:1Y4Y3Y2Y1MULT8:1MULT1MULT2MULT3MULT4MULT5MULT6MULT7MULT8（2）功能仿真 功能仿真波形结果如图所示，仿真数据结果如表所示。对表与表的内容进行对比，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性。被乘数 X 乘数 Y 乘积 MULT 05 04 14 03 08 18 0A 09 5A 04 0B 2C 沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-2.3 仿真调试 仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的电路进行仿真。（1）建立仿真波形文件及仿真信号选择 功能仿真时，首先建立仿真波形文件，选择仿真信号，对选定的输入信号设置参数，选定的仿真信号和设置的参数如表2.2 所示。表 2.2 仿真信号选择和参数设置 （2）功能仿真结果与分析 功能仿真波形结果如图所示，仿真数据结果如表所示。对表与表的内容进行对比，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性。被乘数 乘数 乘积 X1X2X3X4 Y1Y2Y3Y4 MULT（M1M2M3M4M5M6M7M8）0000 1001 01100011 1000 0011 00011000 0010 0110 00001100 1010 0111 01000110 沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-第 3 章 编程下载与硬件测试 3.1 编程下载 利用编程下载功能，将得到的 farewell.bit 文件下载到 XCV200 实验板的XCV200可编程逻辑芯片中。3.2 硬件测试及结果分析 利用 XCV200 实验板进行硬件功能测试。阵列乘法的输入数据通过XCV200实验板的输入开关实现，输出数据通过 XCV200 实验板的 LED 指示灯实现，其对应关系如表 3.1 所示。XCV200 实验板信号对应关系 图形的输入、输出信号 对应的管脚 控制开关 被乘数 X1X2X3X4 A1A2A3A4 P94 P95 P96 P97 K0 乘数 Y1Y2Y3Y4 B1B2B3B4 P100 P101 P102 P103 K0 乘积 M1M2M3M4 M5M6M7M8 P215 P216 P217 P218 P220 P221 P222 P223 D0 利用表中的输入参数作为输入数据，逐个测试输出结果，即用 XCV200 实验板的开关 K0 输入数据，同时观察 D0 的输出，得到如表 3.2 所示的硬件测试结果。沈阳航空工业学院课程设计报告 第 3 章 编程下载与硬件测试 -16-表 3.2 硬件测试结果 控制开关 K0（S0S1S2S3 S4S5S6S7）数码管显示 S0S1S2S3 S4S5S6S7 1011 1001 63 0011 0100 0C 1010 0101 32 对表与图的内容进行对比，可以看出硬件测试结果是正确的，说明电路设计完全正确。沈阳航空工业学院课程设计报告 参考文献 -16-参考文献 1 曹昕燕.EDA 技术实验与课程设计M.北京：清华大学出版社，2006 2 范延滨.微型计算机系统原理、接口与 EDA 设计技术M.北京：北京邮电大学出版社，2006 3 王爱英.计算机组成与结构(第 4 版)M.北京：清华大学出版社，2006 4 李勇.计算机原理与设计（修订本）.长沙：国防科技大学出版社，1989 5 王尔乾.数字逻辑与数字集成电路.北京：清华大学出版社，1996 6白中英.计算机组成原理.北京：科学出版社，1994 7葛本修.计算机组织与结构.北京：北京航空航天大学出版社，1992 沈阳航空工业学院课程设计报告 附 录 -16-附录：电路图 沈阳航空工业学院课程设计报告 附 录 -16-XYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDX1X2X3X4X4:1Y4:1Y4Y3Y2Y1MULT8:1MULT1MULT2MULT3MULT4MULT5MULT6MULT7MULT8 沈阳航空工业学院课程设计报告 -16-课程设计总结：紧张而有充实的十天过去了，在这次计算机组成原理课程设计中我得到了很多，也失去了很多，也发现了很多问题，先从以下三个方面对自己这十来天的课设做个总结：1、在这次课程设计中遇到了许许多多的问题。我的课程设计的题目是 阵列乘法器的设计 ，对什么是阵列是个很陌生的概念，还有后来在机器上实现算法时，没有输出结果，以及后来仿真成功但下载失败等等。对于第一个，只有上网或是去图书馆找资料，第二个几经调试发现是与总线相连的分支在起名时发生了错误，最后一个问题是由于没有在执行时修改里面的时钟选项，当然这是我遇到很多问题中的几个；这次课程设计除了要完成任务书上的各项功能，也使得自己学会了使 软件，以及调式，也从老师那里学到了很多平时学不到的知识和怎么去学习；在这次课程设计中，我想了很多也认识了许多。在我们面对陌生或是棘的问题时，不应该选择逃避或是放弃的态度，有许多事情并不是我们想象中的那样复杂或是困难，要试着接触它，慢慢把它给弄明白。还有，就是应该多和老师沟通沟通，别以为的沿着固有的思路走下去，要学会变通。总的来说，这次的课程设计收获很大，当然也曾沮丧过，受益非浅啊。指导教师评语：指导教师(签字)：年 月 日 课程设计成绩 沈阳航空工业学院课程设计报告 -16-