組成原理課設(shè)陣列乘法器

1、沈陽航空工業(yè)學(xué)院課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 報報 告告課程設(shè)計名稱：計算機(jī)組成原理課程設(shè)計計算機(jī)組成原理課程設(shè)計課程設(shè)計題目：陣列乘法器的設(shè)計陣列乘法器的設(shè)計 院（系）：計算機(jī)學(xué)院專 業(yè)：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級：4401102學(xué) 號：200403011062姓 名：余 舟 華指導(dǎo)教師：李 平完成日期：2006年12月31日沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 -I-目目 錄錄、.錯誤！未定義書簽。第第 1 章章 總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案.11.1 設(shè)計原理 .11.3 設(shè)計環(huán)境 .3第第 2 章章 詳細(xì)設(shè)計方案詳細(xì)設(shè)計方案.42.1 頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn) .42.1.1 創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件.42.1.

2、2 器件的選擇與引腳鎖定.42.2 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn) .52.3 仿真調(diào)試.9第第 3 章章 編程下載與硬件測試編程下載與硬件測試.103.1 編程下載編程下載.103.2 硬件測試及結(jié)果分析 .10參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).12附錄：電路圖附錄：電路圖.13沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 1 章 總體設(shè)計方案-1-第 1 章 總體設(shè)計方案1.1 設(shè)計原理設(shè)計原理串行方法畢竟太慢，執(zhí)行一次乘法的時間至少是執(zhí)行一次加法時間的 n 倍，不能滿足科學(xué)技術(shù)對高速乘法所提出的要求。自從大規(guī)模集成電路問世以來，高速的單元陣列乘法器應(yīng)運(yùn)而生，出現(xiàn)了各種形式的硬件乘法器的常規(guī)設(shè)計是適用“串行移位”和“并行加法”

3、相結(jié)合的方法，這種方法并不需要很多器件。然而流水線陣列乘法器，它們屬于并行乘法器，提供了極快的速度。 如圖所示的一個陣列乘法器完成 X*Y 乘法運(yùn)算（X=X1X2X3X4，Y=Y1Y2Y3Y4） 。陣列的每一行送入乘數(shù) Y 的每一位數(shù)位，而各行錯開形成的每一斜列則送入被乘數(shù)的每一數(shù)位。圖中每一個方框包括一個與門和一個兩位全加器。 陣列乘法器的原理框圖如圖 1.1 所示，X4：1，Y4：1分別是乘數(shù)和被乘數(shù)輸入端，MULT8：1為乘積輸出端。沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 1 章 總體設(shè)計方案-2-圖 1.1 陣列乘法器原理框圖陣列乘法器實現(xiàn)的功能是計算兩個四位二進(jìn)制間的算法，由數(shù)據(jù)總線將乘數(shù)

4、Y4：1和被乘數(shù) X4：1送到乘法器中，經(jīng)陣列乘法器計算出結(jié)果由總線MULT8：1輸出。陣列乘法器是由相同的細(xì)胞塊構(gòu)成，呈陣列陣型。陣列乘法器完 X*Y 乘法運(yùn)算 X=X1X2X3X4，Y=Y1Y2Y3Y4） 。陣列的每一行送入乘數(shù) Y 的每一位數(shù)位，而各行錯開形成的每一斜列則送入被乘數(shù)的每一數(shù)位。在設(shè)計的電路中，有許多相同的細(xì)胞塊組成，而細(xì)胞塊包括一個與門和一個 2 位全加器。 X、Y、PIN、CIN 是輸入，COUT、POUT 是輸出。 在設(shè)計的過程中，采用的是由內(nèi)到外封裝，也就是先將最底層電路封裝到創(chuàng)建的器件中，由外到內(nèi)一層套一層。整個陣列乘法器主要由陣列塊組成，而 陣列塊是由與門和二位

5、全加器組成，所以在封裝的時候，先把二位全加器封裝到ADD2 中，然后將 ADD2 和與門封裝到細(xì)胞塊 PART 中，最后將 PART 封裝到乘沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 1 章 總體設(shè)計方案-3-法器 MUX 中，和輸入、輸出組成完整的電路。陣列乘法器的整體設(shè)計主要是由相同的細(xì)胞塊實現(xiàn)的，而細(xì)胞塊包含兩輸入與門模塊和二位全加器模塊，兩輸入與門模塊和全加器模塊作為底層設(shè)計，采用原理圖設(shè)計輸入方式，頂層的全加器采用原理圖設(shè)計輸入方式。1.3 設(shè)計環(huán)境設(shè)計環(huán)境硬件環(huán)境：偉福 COP2000 型計算機(jī)組成原理實驗儀、XCV200 實驗板、微機(jī)。 EDA 環(huán)境：FOUNDATION 設(shè)計軟件。主要

6、用于百萬邏輯門設(shè)計。該系統(tǒng)由設(shè)計入口工具、設(shè)計實現(xiàn)工具、設(shè)計驗證工具三大部分組成。設(shè)計入口工具包括原理圖編輯器、有限狀態(tài)機(jī)編輯器、硬件描述語言（HDL）編輯器、LogiBLOX 模塊生成器、Xilinx 內(nèi)核生成器等軟件。氣功能是：接收各種圖形或文字的設(shè)計輸入，并最終生成網(wǎng)絡(luò)表文件。設(shè)計實現(xiàn)工具包括流程引擎、限制編輯器、基片規(guī)劃器、FPGA 編輯器、FPGA 寫入器等軟件。設(shè)計實現(xiàn)工具用于將網(wǎng)絡(luò)表轉(zhuǎn)化為配置比特流，并下載到器件。時設(shè)計驗證工具包括功能和時序仿真器、靜態(tài)時序分析器等，可用來對設(shè)計中的邏輯關(guān)系及輸出結(jié)果進(jìn)行檢驗，并詳盡分析各個時序限制的滿足情況。COP2000 集成開發(fā)環(huán)境是為 C

7、OP2000 實驗儀與 PC 機(jī)相連進(jìn)行高層次實驗的配套軟件，該軟件在 Windows 下運(yùn)行。沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-4-第 2 章 詳細(xì)設(shè)計方案2.1 頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn)頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn)頂層方案圖實現(xiàn)陣列乘法的邏輯功能，采用原理圖設(shè)計輸入方式完成，電路實現(xiàn)基于 XCV200 可編程邏輯芯片。在完成原理圖的功能設(shè)計后，把輸入/輸出信號安排到 XCV200 指定的引腳上去，實現(xiàn)芯片的引腳鎖定。2.1.1 創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件頂層圖形文件主要由三大塊組成：分別是乘數(shù)、被乘數(shù)的輸入、乘積輸出、和自己封裝的乘法器件 MUX 組裝而成

8、的一個完整的設(shè)計實體?？衫?Xilinx ISE ECS 模塊實現(xiàn)頂層圖形文件的設(shè)計，頂層圖形文件結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。圖圖 2.1 陣列乘法器的頂層圖形文件結(jié)構(gòu)陣列乘法器的頂層圖形文件結(jié)構(gòu)2.1.2 器件的選擇與引腳鎖定器件的選擇與引腳鎖定（1）器件的選擇）器件的選擇由于硬件設(shè)計環(huán)境是基于偉福 COP2000 型計算機(jī)組成原理實驗儀和 XCV200實驗板，故采用的目標(biāo)芯片為 Xlinx XCV200 可編程邏輯芯片。（2）引腳鎖定）引腳鎖定把頂層圖形文件中的輸入/輸出信號安排到 Xlinx XCV200 芯片指定的引腳上沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-5-去

9、，實現(xiàn)芯片的引腳鎖定，各信號及 Xlinx XCV200 芯片引腳對應(yīng)關(guān)系如表 2.1 所示。 芯片和管腳對應(yīng)表：芯片內(nèi)部信號圖形文件中的輸入、輸出信號對應(yīng)的管腳X1A1P94X2A2P95X3A3P96X4A4P97Y1B1P100Y2B2P101Y3B3P12Y4B4P103MULT1M1P215MULT2M2P216MULT3M3P217MULT4M4P218MULT5M5P220MULT6M6P221MULT7M7P222MULT8M8P2232.2 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)功能模塊中，包括乘法器（MUX） 、細(xì)胞塊（PART） 、全加器都是由邏輯框圖設(shè)計實現(xiàn)的。沈陽航

10、空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-6-2.2 細(xì)胞塊細(xì)胞塊 PART 的設(shè)計與實現(xiàn)的設(shè)計與實現(xiàn)（1） 創(chuàng)建元件圖形符號：創(chuàng)建元件圖形符號：細(xì)胞塊由一個與門和一個全加器實現(xiàn)，其中 X、Y、PIN、CIN 是輸入端，COUT、POUT 是輸出端：（2）實現(xiàn)器件功能：）實現(xiàn)器件功能：（3）功能仿真）功能仿真對創(chuàng)建的半加器元件（H_ADDER）進(jìn)行功能仿真，驗證其功能的正確性，可用 Xilinx ISE 編譯器的 Simulator 模塊實現(xiàn)。沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-7-功能仿真波形結(jié)果如圖所示，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表所示。對表與表的內(nèi)容進(jìn)行對比，

11、可以看出功能仿真結(jié)果是正確的，進(jìn)而說明電路設(shè)計正確性。2.2.3 乘法器的設(shè)計與實現(xiàn)乘法器的設(shè)計與實現(xiàn)(1)創(chuàng)建圖形符號創(chuàng)建圖形符號其中 X4：1是被乘數(shù)輸入、Y4：1是乘數(shù)輸入，MULT8：1是乘積輸出，都是經(jīng)過總線傳輸?shù)摹?XYPINCINPOUTCOUT111111011101101010001010110101010110沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-8-(2)器件實現(xiàn)器件實現(xiàn)XYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTP

12、INPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDX1X2X3X4X4:1Y4:1Y4Y3Y2Y1MULT8:1MULT1MULT2MULT3MULT4MULT5MULT6MULT7MULT8（2）功能仿真）功能仿真功能仿真波形結(jié)果如圖所示，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表所示。對表與

13、表的內(nèi)容進(jìn)行對比，可以看出功能仿真結(jié)果是正確的，進(jìn)而說明電路設(shè)計正確性。被乘數(shù) X乘數(shù)乘數(shù) Y乘積乘積 MULT0504140308180A095A040B2C沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-9-2.3 仿真調(diào)試仿真調(diào)試仿真調(diào)試主要驗證設(shè)計電路邏輯功能、時序的正確性，本設(shè)計中主要采用功能仿真方法對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真。（1）建立仿真波形文件及仿真信號選擇）建立仿真波形文件及仿真信號選擇功能仿真時，首先建立仿真波形文件，選擇仿真信號，對選定的輸入信號設(shè)置參數(shù)，選定的仿真信號和設(shè)置的參數(shù)如表 2.2 所示。表表 2.2 仿真信號選擇和參數(shù)設(shè)置仿真信號選擇和參數(shù)設(shè)置（2）

14、 功功能仿真能仿真結(jié)果與分析結(jié)果與分析功能仿真波形結(jié)果如圖所示，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表所示。對表與表的內(nèi)容進(jìn)行對比，可以看出功能仿真結(jié)果是正確的，進(jìn)而說明電路設(shè)計正確性。被乘數(shù)被乘數(shù)乘數(shù)乘數(shù)乘積乘積X1X2X3X4Y1Y2Y3Y4MULT（ M1M2M3M4M5M6M7M8）0000100101100011100000110001100000100110000011001010011101000110沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-10-第 3 章 編程下載與硬件測試3.1 編程下載利用編程下載功能，將得到的 farewell.bit 文件下載到 XCV200 實驗板的

15、XCV200 可編程邏輯芯片中。3.2 硬件測試及結(jié)果分析硬件測試及結(jié)果分析利用 XCV200 實驗板進(jìn)行硬件功能測試。陣列乘法的輸入數(shù)據(jù)通過 XCV200實驗板的輸入開關(guān)實現(xiàn)，輸出數(shù)據(jù)通過 XCV200 實驗板的 LED 指示燈實現(xiàn)，其對應(yīng)關(guān)系如表 3.1 所示。 XCV200 實驗板信號對應(yīng)關(guān)系實驗板信號對應(yīng)關(guān)系 圖形的輸入、輸出信號對應(yīng)的管腳控制開關(guān)被乘數(shù)被乘數(shù)X1X2X3X4A1A2A3A4P94 P95 P96 P97K0乘數(shù)Y1Y2Y3Y4B1B2B3B4P100 P101 P102 P103K0乘積M1M2M3M4M5M6M7M8P215 P216 P217 P218P220 P

16、221 P222 P223D0 利用表中的輸入?yún)?shù)作為輸入數(shù)據(jù)，逐個測試輸出結(jié)果，即用 XCV200 實驗板的沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-11-開關(guān) K0 輸入數(shù)據(jù)，同時觀察 D0 的輸出，得到如表 3.2 所示的硬件測試結(jié)果。表表 3.2 硬件測試結(jié)果硬件測試結(jié)果控制開關(guān)控制開關(guān)K0（S0S1S2S3 S4S5S6S7）S0S1S2S3S4S5S6S7數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示1011100163001101000C1010010132沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 第 3 章 編程下載與硬件測試-12-對表與圖的內(nèi)容進(jìn)行對比，可以看出硬件測試結(jié)果是正確的，說明電路

17、設(shè)計完全正確。沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 參考文獻(xiàn)-13-參考文獻(xiàn)1 曹昕燕. EDA 技術(shù)實驗與課程設(shè)計M.北京：清華大學(xué)出版社，20062 范延濱.微型計算機(jī)系統(tǒng)原理、接口與 EDA 設(shè)計技術(shù)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，20063 王愛英.計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)(第 4 版)M.北京：清華大學(xué)出版社，20064 李勇. 計算機(jī)原理與設(shè)計（修訂本）.長沙：國防科技大學(xué)出版社，19895 王爾乾.數(shù)字邏輯與數(shù)字集成電路.北京：清華大學(xué)出版社，19966白中英.計算機(jī)組成原理.北京：科學(xué)出版社，19947葛本修.計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告

18、附 錄-14-附錄：電路圖沈陽航空工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計報告 附 錄-15-XYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDX1X2X3X4X4:1Y4:1Y4Y3Y2Y