基于Actel FPGA的4位ALU設(shè)計(jì)方案

FPGA、ARM、DSP成為電子工程技術(shù)的市場的核心的控制器。尤其是FPGA，由于它具有處理速度高、可并行執(zhí)行和高靈活性的特點(diǎn)，因此常被用于通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。基于ActelFpGA的4位ALU的設(shè)計(jì)方案，為學(xué)習(xí)FPGA的設(shè)計(jì)和CPU的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。它給大學(xué)老師和同學(xué)們提供了一個(gè)很好了解和設(shè)計(jì)CPU的機(jī)會。你想設(shè)計(jì)自己的CPU嗎?只要使用我們的方案，你就可以!

本文主要介紹采用高可靠性、低成本的Actel FPGA-A3P010來實(shí)現(xiàn)一個(gè)4位的算術(shù)邏輯單元ALU的系統(tǒng)，為大家提供一種學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)CPU的實(shí)現(xiàn)方案。本方案是為了滿足FPGA的教育教學(xué)需求而設(shè)計(jì)的，結(jié)合了Actel FpGA單芯片、上電即行、低成本、低功耗、高安全性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，使得該ALU的系統(tǒng)在教育教學(xué)中很容易實(shí)現(xiàn)。如果采用I／O資源數(shù)較多的A3P015，該方案可以很容易地?cái)U(kuò)展為8位總線的ALU，為設(shè)計(jì)更高性能的CPU提供了基礎(chǔ)。想學(xué)習(xí)FPGA，就從學(xué)習(xí)基于ActelFPGA的4位ALU方案開始!

1 概述

(1)功能概述

·支持16種4位數(shù)據(jù)長度的邏輯運(yùn)算操作，包括與、或、非、異或、同或等邏輯運(yùn)算功能：

·支持16種4位數(shù)據(jù)長度的算術(shù)運(yùn)算操作，包括加法、減法的算術(shù)運(yùn)算功能：

·算術(shù)運(yùn)算操作支持進(jìn)位輸入和進(jìn)位輸出的功能，并支持進(jìn)位生成輸出和進(jìn)位傳送輸出的功能；

·支持邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算混合的運(yùn)算操作；

·支持兩操作數(shù)比較大小的功能；

·兼容74HCl81的功能：

·支持?jǐn)U展功能，可以很容易地實(shí)現(xiàn)由4位總線擴(kuò)展到8、16位總線的ALU：

·資源占用率低。可用Actel的A3P010實(shí)現(xiàn)4位總線的ALU，如果擴(kuò)展為8位總線功能可用A3P015及以上器件實(shí)現(xiàn)，具體占用資源情況與實(shí)際的功能有關(guān)；

·FPGA的可編程性使得功能設(shè)計(jì)非常靈活，可以根據(jù)用戶需求定制特殊功能：

·真正完美的單芯片、低成本、低功耗解決方案：

·ActelFPGAS的FlashLock加密，保護(hù)您的設(shè)計(jì)：

·Acrel FPGA的固件錯誤免疫使得系統(tǒng)可以工作于較惡劣的環(huán)境中，可靠性極高。

(2)系統(tǒng)框圖

如圖1所示。這是ALu的硬件系統(tǒng)框圖。該ALU由六個(gè)功能模塊組成。分別為邏輯運(yùn)算模塊、算術(shù)運(yùn)算模塊、進(jìn)位模塊、比較模塊、16選1的多路選擇器模塊和2選1的多路選擇器模塊。信號端口的功能說明見表1所示。

ALU按照接口類別劃分，可以把整個(gè)系統(tǒng)的接口分為：控制接口、數(shù)據(jù)接口。詳細(xì)的接口信息，如表1所示。

(3)ALU的邏輯功能表

ALU的邏輯功能表，如表2所示。ALU在模式控制輸入端mode control的控制下，可以選擇邏輯運(yùn)算功能或算術(shù)運(yùn)算功能。當(dāng)mode control為高電平1時(shí)，ALU執(zhí)行4位邏輯運(yùn)算操作；當(dāng)mode control為低屯平0時(shí)，它執(zhí)行4位算術(shù)運(yùn)算操作，具體執(zhí)行的操作可由功能選擇輸入端select_input[3：0]控制。例如，當(dāng)mode_control=1，select input[3：0]=“0000”時(shí)執(zhí)行的是邏輯運(yùn)算function output=的操作。

2 各功能模塊介紹

(1)邏輯運(yùn)算功能模塊

ALU的第一大功能就是可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算。當(dāng)ALU執(zhí)行邏輯運(yùn)算操作時(shí)，模式控制輸入端mode control=1，輸入輸出端carry，JnPuh generate output、propagate output、carry output、cmp_output不影響邏輯運(yùn)算結(jié)果，operand_a[3：0]，operand_b[3：0]是兩個(gè)4位輸入的操作數(shù)，select_input[3：O]是選擇輸入控制端，function output[3：0]是4位邏輯運(yùn)算結(jié)果的輸出端，具體的邏輯運(yùn)算時(shí)序如圖2所示。

(2)算術(shù)運(yùn)算功能模塊

ALU的第二大功能就是可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算。當(dāng)ALU執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)，橫式控制輸入端mode control=O，進(jìn)位輸入端carry，input對算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果有影響，generate_output、propagateoutput、carry output、crop output根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果而變化，operand_a[3：0]，operand_b[3：0]是兩個(gè)4位輸入的操作數(shù)，select_input[3：0]是4位選擇輸入控制端，function_output[3：0]是4位算術(shù)運(yùn)算結(jié)果的輸出端。具體的時(shí)序如圖3所示。

(3)比較功能模塊

ALU的第三大功能就是可以執(zhí)行比較大小運(yùn)算功能。當(dāng)ALU執(zhí)行兩操作數(shù)比較大小時(shí)，橫式控制輸入端mode control=0，進(jìn)位輸入端carry_input=1，選擇輸入端select_input[3：0]=“0110”，operand_a[3：0]、operand_b[3：0]是兩個(gè)4位將要比較大小的操作數(shù)。比較大小輸出端crop output與進(jìn)位輸出端carryoutput共同確定兩操作數(shù)比較大小的結(jié)果。

3 市場應(yīng)用

基于Actel FPGA實(shí)現(xiàn)4位ALU的解決方案，主要是為了滿足FPGA的教育教學(xué)需求而設(shè)計(jì)的。本公司為了提高大學(xué)生對FPGA的學(xué)習(xí)興趣，并改善FPGA傳統(tǒng)教學(xué)方式，特意設(shè)計(jì)了此方案。由FPGA設(shè)計(jì)的ALu擴(kuò)展的靈活性大，可以很容易地?cái)U(kuò)展為8位總線的ALu，為設(shè)計(jì)高性能的CPU提供了基礎(chǔ)。

4 小結(jié)

本文主要介紹了基于Actel FPGA的4I~ALU系統(tǒng)的功能和應(yīng)用。敬請關(guān)注周立功公司的網(wǎng)站www.zlgmcu.com以獲得更多的信息。我們有著一個(gè)接近30人的FPGA團(tuán)隊(duì)提供強(qiáng)有力的售后服務(wù)和技術(shù)支持，解決用戶在產(chǎn)品使用和研發(fā)過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯(lián)系，我們將會竭誠為您服務(wù)，并請關(guān)注下期的FPGA專題技術(shù)講座。