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《一生一芯》数字实验三：加法器与ALU

news 来源：原创 2025/6/7 15:03:54

1. 实验目标

设计一个能实现如下功能的4位带符号位的补码 ALU：

Table 4 ALU 功能列表 
功能选择	功能	操作
000	加法	A+B
001	减法	A-B
010	取反	Not A
011	与	A and B
100	或	A or B
101	异或	A xor B
110	比较大小	If A<B then out=1; else out=0;
111	判断相等	If A==B then out=1; else out=0;

ALU进行加减运算时，需要能够判断结果是否为0，是否溢出，是否有进位等。这里，输入的操作数A和B都已经是补码。比较大小请按带符号数的方式设置。

执行逻辑操作时不需要考虑overflow和进位。

由于开发板上输入有限，可以使用SW作为数据输入，~~button作为选择端~~。使用SW作选择器。

2. 通过实验的收获

1. 理解ALU 功能单元单元

2. 理解进位和溢出位的区别。进位是加法器每个比特相加过程中的中间结果。而溢出位是最终结果用来判断计算结果是否有效的指示信息。

3. 如何通过C代码读取硬件模块中的值

3. 实现过程

1. 新增 alu_bit4.v 模块文件

利用组合逻辑实现计算，利用case语句实现对溢出位的判断。下面是实验中的部分代码。

// 预计算所有可能的操作结果assign not_A     = ~A;assign and_result = A & B;assign or_result  = A | B;assign xor_result = A ^ B;assign add_result = {1'b0, A} + {1'b0, B};  // 扩展为5位进行加法assign sub_result = {1'b0, A} - {1'b0, B};  // 扩展为5位进行减法// 根据opcode选择执行的操作always @(*) begincase (opcode)3'b000: begin  // 加法result  = add_result[3:0];carry   = add_result[4];  // 进位为最高位overflow = (A[3] == B[3]) && (result[3] != A[3]); // 符号相同但结果符号不同end3'b001: begin  // 减法result  = sub_result[3:0];carry   = ~sub_result[4];  // 减法的借位取反overflow = (A[3] != B[3]) && (result[3] != A[3]); // 符号不同但结果符号异常end

2.修改top.v文件

例化ALU模块，同时将计算结果的变量添加到输出端口，方便main.cpp进行访问

module top(input clk,input rst,input [4:0] btn,input [15:0] sw,input ps2_clk,input ps2_data,input uart_rx,output uart_tx,output [15:0] ledr,output VGA_CLK,output VGA_HSYNC,output VGA_VSYNC,output VGA_BLANK_N,output [7:0] VGA_R,output [7:0] VGA_G,output [7:0] VGA_B,output [7:0] seg0,output [7:0] seg1,output [7:0] seg2,output [7:0] seg3,output [7:0] seg4,output [7:0] seg5,output [7:0] seg6,output [7:0] seg7,output [3:0] result, //实验三：简易4bit ALUoutput zero, //实验三：简易4bit ALUoutput overflow,//实验三：简易4bit ALUoutput carry //实验三：简易4bit ALU
);//实验三：简易4bit ALU// output declaration of module alu_4bitalu_4bit u_alu_4bit(.A        	(sw[3:0]        ),.B        	(sw[7:4]        ),.opcode   	(sw[10:8]      ),.result   	(result    ),.zero     	(zero      ),.overflow 	(overflow  ),.carry    	(carry     )
);

3.修改main.cpp 文件

添加对输出结果的打印

      printf("A = %d,B = %d ,opcode = %b, result = %3d ,zero = %d ,overflow = %d ,carry = %d  \n",top->sw & 0x0f,(top->sw >> 4) & 0x0f,(top->sw >> 8) & 0x07, top->result, top->zero, top->overflow, top->carry);