组成原理课程设计报告阵列乘法器的设计与实现.doc

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1、沈阳航空航天大学课程设计报告 目 录第1章 总体设计方案21.1 设计原理21.2 设计思路21.3设计环境3第2章 详细设计方案52.1 总体方案的设计与实现52.1.1创建顶层图形设计文件52.2 功能模块的设计与实现62.2.1输入加法器模块的设计与实现62.3 阵列乘法器的设计与实现8第3章 编程下载与硬件测试103.1 编程下载103.2 硬件测试及结果分析10参考文献13附 录14-16-沈阳航空航天大学课程设计报告 第1章 总体设计方案第1章 总体设计方案1.1 设计原理以COP2000实验仪、FPGA实验板为硬件平台，采用Xilinx Foundation F3.1设计工具和C

2、OP2000仿真软件，采用自上而下的设计方法，设计并实现阵列乘法器功能。阵列乘法器的设计原理如图1.1所示，X1,X2,X3,X4, Y1,Y2,Y3,Y4为阵列乘法器的输入端， S1S8为阵列乘法器的输出端。图中的排列形式和笔算乘法的位积排列形式相似。阵列的每一行由乘数Y的每一位数位控制，而各行错开形成的每一列由被乘数X的每一位数位控制。图中方框内的电路由一个与门和一个全加器组成。由于采用阵列结构，虽然采用加法器数量较多，但内部结构规则，采用超大规模集成电路很容易实现，可大大提高运算速度。图1.1 阵列乘法器原理图1.2 设计思路阵列乘法器是设计主要包含如下3个部分：1、加法器的设计与实现；

3、2、阵列乘法器的设计与实现；3、下载与硬件测试；阵列乘法器的设计与实现采用自上而下的设计方法，在这3个部分中分别设计实现相应功能的器件，在连接具体电路时配合相应脉冲和门电路以达到预期效果。乘法器采用硬件描述语言进行电路设计并实现给定的功能，设计的原理图经编译、调试后形成*.bit文件并下载到XCV200可编程逻辑芯片中，经硬件测试验证设计的正确性。1.3 设计环境 硬件环境：1、伟福COP2000型计算机组成原理实验仪：COP2000各单元部件都以计算机结构模型布局，清晰明了，各寄存器、部件均有8位数据指示灯显示其二进制值，两个8段码LED显示其十六进制值，清楚明了，两个数据流方向指示灯，以直

4、观反映当前数据值及该数据从何处输出，而又是被何单元接收的。这是该产品独创的“实时监视器”,使得系统在实验时即使不借助PC机，也可实时监控数据流状态及正确与否。各实验模块的数据线、地址线与系统之间的挂接是通过三态门，而不是其它实验设备所采用的扁平连线方法，而数据线、地址线是否要与系统连通，则由用户连线控制，这样，就真实的再现了计算机工作步骤。2、XCV200实验板：在COP2000 实验仪中的FPGA 实验板主要用于设计性实验和课程设计实验，它的核心器件是20 万门XCV200 的FPGA 芯片。用FPGA 实验板可设计8 位16 位和32 位模型机。软件环境：1、Xilinx Foundati

5、on3.1设计软件：Xilinx Foundation3.1是Xilinx公司的主要可编程器件开发工具，塔可以开发Xilinx公司的Spar tan,Virtex,CX4000,CX3000,CX5200系列的FPGA芯片。该平台功能强大，主要用于百万逻辑门级的设计和1Gb/s的告诉通信内核的设计。2、 COP2000仿真软件：COP2000系统的运算器采用了代表现代科技的EDA技术设计，随机出厂时，已提供一套已装载的方案，能进行加、减、与、或、带进位加、带进位减、取反、直通八种运算方式。它通过实验仪的串行接口和PC 机的串行接口相连，提供汇编、反汇编、编辑、修改指令、文件传送、调试FPGA

6、实验等功能。沈阳航空航天大学课程设计报告 第2章 详细设计方案第2章 详细设计方案2.1 总体方案的设计与实现 为了进一步提高乘法运算速度，可采用类似人工计算的方法，阵列的每一行送入乘数Y的每一数位，而各行错开形成的每一斜列则送入被乘数的每一数位。44阵列乘法器可以由16个输入加法器构成的；输入加法器可以由一个与门和一位全加器构成；一位全加器可以用一个两输入或门模块和两个半加器模块构成。一位全加器的整体设计包含两半加器构成，半加器由异或门构成。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

7、层图形设计文件44阵列乘法器由四位被乘数输入端(X4X3X2X1)、四位乘数输入端(Y4Y3Y2Y1)和八位乘积输出端(Z8Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1)组成。利用Xilinx foundation f3.1模块实现顶层图形文件的设计，顶层图形文件结构如图2.1.1所示。图2.1 阵列乘法器整体设计框图2.2 功能模块的设计与实现2.2.1输入加法器模块的设计与实现 4位输入端加法器可以由一个与门和一位全加器构成，一位全加器可以由两个与门，三个异或门及一一个或门构成，四个输入为XIN、YIN、PARTIN，CNIN，两个输出为PARTOUT、CNOUT。其设计过程如图2.2.1所示。图2.2.

8、1 4位输入端加法器设计框图为了能在图形编辑器（原理图设计输入方式）中调用此器件，需要为此器件创建一个元件图形符号，可用Xilinx Foundation3.1编译器的Create Symbol模块实现。此元件封装如图2.2.2所示。图2.2.2 4位输入端加法器元件符号图4位输入端加法器的具体功能如表2.2.3所示。表2.2.3 4位输入端加法器功能表XIN YIN PARTINCINCOUTPARTOUT0 0 00000 0 11100 1 00100 1 11011 0 00101 0 11011 1 00011 1 11110 0 01010 0 10010 1 01100 1 10

9、011 0 01011 0 10101 1 01101 1 1011为了验证其功能的正确性，可用Xilinx ISE编译器的Simulator模块实现对创建的乘法器元件进行功能仿真。其仿真结果如图2.2.4所示。图2.2.4 4位输入端加法器仿真结果沈阳航空航天大学课程设计报告 第2章 详细设计方案 2.3 阵列乘法器的设计与实现44阵列乘法器可以由16个的4输入加法器构成，其具体设计过程如图2.3.1所示。图2.3.1 44阵列乘法器设计过程阵列乘法器元件图形符号如图2.3.2所示。图2.3.2阵列乘法器元件图形符号图2.3.3 44阵列乘法器封装图为了验证其功能的正确性，可用Xilinx

10、ISE编译器的Simulator模块实现对创建的阵列元件进行功能仿真。其仿真结果如图2.3.4所示。图2.7 阵列乘法器功能仿真波形结果沈阳航空航天大学课程设计报告 第3章 编程下载与硬件测试 第3章 编程下载与硬件测试3.1 编程下载利用COP2000仿真软件的编程下载功能，将得到ADD11.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。定点原码一位除法器的输入数据通过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。表3.1 XCV200实验板信

11、号对应关系引脚作用XCV200芯片引脚信号XCV200实验板被乘数P33K0：7P34K0：6P35K0：5P36K0：4乘数P56K1：7P55K1：6P54K1：5P53K1：4积P078-P125B7-B0硬件测试结果如图3.1和表3.2所示。图3.1 硬件测试结果图 表3.2 硬件测试结果输入信号输出信号110110111000111110010110001101101111110111000011对表3.2与表2.3和图2.1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。沈阳航空航天大学课程设计报告 参考文献 参考文献1 李景华. 可编程程逻辑器件与EDA技术M

12、.北京：东北大学出版社，20012 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，20063 王爱英.计算机组成与结构(第4版)M.北京：清华大学出版社，20064 王冠.Verilog HDL与数字电路设计M.北京：机械工业出版社，20055 江国强.EAD技术习题与实验M.北京：电子工业出版社，20056 杜建国.Verilog HDL硬件描述语言M.北京：国防工业出版社，2004 7 （美）西里提.张雅绮等译.Verilog HDL 高级数字设计M.北京：电子工业出版社，2005沈阳航空航天大学课程设计报告 附录附 录 沈阳航空航天大学课程设计报告课程设计

13、总结：刚拿到题目的时候，对题目一点都不理解，无从下手。特别是对Xilinx foundation f3.1设计软件的使用，不知如何使用。经过去图书馆和上网查阅相关资料，最后在资料上找到相关内容，最终对题目慢慢理解，逐渐找到问题的突破口，确定解决方案。开始时，我还不以为然没用封装的方法，把所有器件全放在一个环境下，这给实验的设计和连线造成了很多的麻烦和一些意想不到的错误，后在同学的帮助下，懂得了封装的方法，得以改进了设计和避免了很多的连线的错误，提高了速度。 这次课设遇到了不少问题，在解决问题的过程中，自己的处理问题的能力得到很大提高。而且熟悉了Xilinx foundation f3.1设计软件的操作，锻炼了自己的动手能力，还学到了许多在课堂上没学到的知识。指导教师评语：指导教师(签字)： 年 月 日课程设计成绩