實驗報告2022-2023學年第2學期

式體移陶人挈

實驗報告

（2022-2023學年第2學期）

成績

課程名稱計算機組成原理

實驗名稱運算器設計

實驗時間2022年4月12日

指導單位武漢紡織大學

指導教師曾西洋

學生姓名萬凱學號

學院（系）計算機與人工智班級

軟件12001

能學院

實驗名稱:

一、實驗目的

1.能夠熟練使用虛擬仿真工具Logisim進行

2.能夠使用Verilog進行加法器設計；

3.能在本地完成電路測試以及在頭歌平臺完成在線評測。

二、實驗任務

運算器設計，有8位可控加減法電路設計，四位快速加法器設計，16位快速加法器設計，

無符號陣列乘法器設計，原碼一位電路乘法器設計。

三、主要操作步驟及實驗結果記錄（對實驗過程中的主要操作步驟進行描述，并隨時記錄

實驗過程中觀察到的結果，必要時可輔助截圖）

第1關：全加器設計

1.任務描述：

設計全加器。

2.設計原理：

3.設計步驟與結果

0

A

卬

4.本地測試結果:

XYCinCoutsXYCinCouts

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第2關：8位可控加減法設計

1.任務描述：

設計8位可控加減法器。

2.設計原理:

運算

加法：X+Y直接利用加法運算得到；

減法：通過對丫的補碼求負(按位取反，末位加1)得到-Y的補碼，做加法X+(-Y)得X-Y。

溢出

可以利用單符號位方式判斷，即運算結果的最高位進位和次高位進位不同，運算結果溢出。

無符號數(shù)加法進位

最高位進位即為無符號進位。

無符號減法借位

最高位進位取反即為無有咸法借位。

提示：利用2輸入異或門的特點，0人丫=丫；1人十丫=~丫。

3.設計步驟與結果:

4.本地測試結果:

subXYSoverflCoutsubXYSoverflCout

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nnn44nnncC44

11

第3關：RISC運算器設計

1.任務描述：

設計MIPS/RISC-V運算器。

2.設計原理：

1.4位先行進位邏輯

利用全加器級聯(lián)構成4位加法器，進位傳遞方式有串行和并行（先行）方式。

全加器的輸出邏輯為：

本位輸出：Si=XiffiYi?Ci

進位輸出:Ci+l=Xi?Yi+Yi?Ci+Ci?Xi

如果采用串行進位方式，4位加法器中各位的進位位邏輯如下：

C1=XO?YO+YO-Cin+Cin-XO

C2=X1?Yl+Yl-Cl+Cl?XI

C3=X2?Y2+Y2?C2+C2?X2

C4=X3?Y3+Y3-C3+C3?X3

即每位進位傳遞需要經(jīng)過2個邏輯門延時，4位共需8個邏輯門延時；

如果采用并行（先行）進位方式，4位加法器中各位的進位位邏輯如下：

進位輸出：

Ci+l=Xi-Yi+Yi?Ci+Ci-Xi

=Xi-Yi+（Xi+Yi）Ci

=Xi?Yi+（Xi?Yi）Ci

=Gi+Pi?Ci;設61=*1?丫「Pi=（Xi?Yi）

C1=GO+PO?Cin

C2=G1+P1?C1=G1+P1-GO+P1?PO?Cin

C3=G2+P2?C2=G2+P2?G1+P2?Pl?G0+P2?Pl?PO?Cin

C4=G3+P3?C3=G3+P3?G2+P3?P2?G1+P3?P2?Pl?G0+P3?P2?Pl?PO?Cin

即每位進位同時生成，只需2個邏輯門延時。

4位加法器利用上述4位先行進位可以顯著提高運算性能??！

同理，16位加法器、32位加法器也可以采用同樣的策略提高運算性能。

2.低成本移位寄存器

設計移位寄存器，可以利用Verilog中邏輯左移運算＜＜、算術右移運算〉〉、邏輯右移運算》，

即調(diào)用32位移位寄存器3次，開銷較大。

本設計中的低成本移位寄存器要求只調(diào)用邏輯右移功能實現(xiàn)上述三種邏輯運算，實際開銷

不到2個32位移位寄存器開銷：邏輯左移（x倒置后右移，再倒置，倒置幾乎不用邏輯開

銷）和算術右移用一次32位移位寄存器，算術右移掩碼用一次32位移位寄存器（Oxffffffff

右移后取反，由于移位對象為常量，綜合工具會優(yōu)化）。

3.無符號比較器（已設計好）

本關中的無符號比較器，不用大家設計。其中4位無符號比較器利用真值表或邏輯表達式

實現(xiàn)，8位無符號比較器由2個4位無符號比較器級聯(lián)構成，32位無符號比較器由4個8

位無符號比較器級聯(lián)構成。

4.有符號比較器

本關中的4位有符號比較器已設計好，8位有符號比較器由1個4位有符號比較器和1個4

位無符號比較器級聯(lián)構成，32位有符號器由1個8位有符號比較器和3個8位無符號比較

器級聯(lián)構成。

5.有符號乘法器

本關中的有符號乘法器設計思路為：被乘數(shù)及乘數(shù)（有符號數(shù)為補碼表示）先求絕對值，

做無符號乘法器，乘法結果再根據(jù)運算結果的符號位，處理為積的補碼。其中用按位取反,

末位加1的方法對數(shù)求負，及對X的補碼按位取反，末位加1,得到-x的補碼。

6.MIPS/RISC-V運算器

調(diào)用前面的設計結果和Logisim庫，設計RISC計算機運算器。

3.設計步驟與結果：

4.本地測試結果:z

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