组原：定点补码一位乘法器的设计

课程设计报告课程设计名称：计算机组成原理课程设计课程设计题目：定点补码一位乘法器的设计院（系）：计算机学院专业：计算机科学与技术班级：学号：姓名：指导教师：完成日期：2011年1月14日沈阳航空航天大学课程设计报告-1-目录第1章总体设计方案..................................................................................................11.1设计原理................................................................................................................11.2设计思路................................................................................................................21.3设计环境..............................................................................................................4第2章详细设计方案..................................................................................................52.1顶层方案图的设计与实现..................................................................................52.1.1创建顶层图形设计文件..................................................................................52.1.2器件的选择与引脚锁定..................................................................................62.1.3编译、综合、适配..........................................................................................72.2功能模块的设计与实现......................................................................................72.2.1取补模块的设计与实现.................................................................................72.2.2选择器模块的设计与实现..............................................................................92.2.3乘数补码移位寄存器模块的设计与实现...................................................122.2.4部分积移位寄存器模块的设计与实现.......................................................142.2.5加法器模块的设计与实现............................................................................162.3仿真调试............................................................................................................16第3章编程下载与硬件测试....................................................................................193.1编程下载...............................................................................................................193.2硬件测试及结果分析........................................................................................19参考文献........................................................................................................................22附录（电路原理图）................................................................................................23沈阳航空航天大学课程设计报告-1-第1章总体设计方案1.1设计原理由于机器都采用补码做加减运算，所以设计补码乘法器能避免码制转换，提高机器效率。在计算两个补码相乘时，可以通过Booth算法来实现定点补码一位乘的功能。布斯(Booth)算法采用相加和相减的操作计算补码数据的乘积，Booth算法对乘数从低位开始判断，根据后两个数据位的情况决定进行加法、减法还是仅仅进行移位操作。补码一位乘法的运算规则：(1)被乘数一般取双符号位参加运算。(2)乘数可取单符号位以决定最后一步是否需要校正，即是否加补][X。(3)乘数末位增设附加位1ny，且初值为0。部分积补][0Z初始值为0。(4)被乘数[x]补乘以对应的相邻两位乘数（nnyy1）之差值，再与前部分积累加，然后右移一位（乘2-1），形成该步的部分积累加和。1ny与ny构成各步运算的判断值，以决定如何操作补][X，见图1.1Booth算法操作说明：图1.1Booth算法操作说明(5)按照上述算法进行n+1步操作，但第n+1步不再移位，仅根据0y与1y的比较结果作相应的运算即可。沈阳航空航天大学课程设计报告-2-1.2设计思路课程设计的要求为：（1）采用原码值输入，乘数和被乘数皆为8位。（2）设计的电路应该包括ALU，被乘数寄存器，乘数寄存器，部分积寄存器，门电路和移位电路。课程设计的思路为：（1）由于课程设计要求采用原码值输入，就需要设计一个原码值取反码的电路模块，同时只对符号位取反同时也可以实现求补][X。（2）实现Booth算法需添加附加位1ny，并将其初始值置零，此操作通过外部输入来实现的。（3）Booth算法在运算中要将部分积初始值置零，此操作是通过给FD寄存器的清零端一个高电平的脉冲信号，使寄存器的数据全部为0，即输出的部分积为00000000。（4）取乘数末尾两位来判断，为00、11则部分积加0，为01则部分积加被乘数的补码，为10则部分积加乘数相反数的补码。为了实现此操作，需要设计一个二输入四输出选择器及选择电路。（5）乘数逻辑右移一位，部分积算术右移一位，并用乘数最高位存放部分积溢出的位。此功能的实现，分别设计了乘数移位寄存器，以及部分积移位寄存器。（6）依次反复直到原乘数部分只剩下最后两位，由于最后一次只运算不移位，所以在输出时要在部分积移位之前输出结果。（7）加统一的时钟信号，保持各部件同步工作。定点补码一位乘法器的设计总框图如图1.2所示；定点补码一位乘法器的设计流程图如图1.3所示。沈阳航空航天大学课程设计报告-3-图1.2定点补码一位乘法器设计总框图图1.3定点补码一位乘法器设计流程图沈阳航空航天大学课程设计报告-4-1.3设计环境（1）硬件环境•伟福COP2000型计算机组成原理实验仪COP2000计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成。实验平台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器等组成。COP2000计算机组成原理实验系统各单元部件都以计算机结构模型布局，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,实验系统的软硬件对用户的实验设计具有完全的开放特性，系统提供了微程序控制器和组合逻辑控制器两种控制器方式，系统还支持手动方式、联机方式、模拟方式三种工作方式，系统具备完善的寻址方式、指令系统和强大的模拟调试功能。•COP2000集成调试软件COP2000集成开发环境是为COP2000实验仪与PC机相连进行高层次实验的配套软件，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实验等功能，该软件在Windows下运行。（2）EDA环境•Xilinxfoundationf3.1设计软件Xilinxfoundationf3.1是Xilinx公司的可编程期间开发工具，该平台功能强大，主要用于百万逻辑门设计。该系统由设计入口工具、设计实现工具、设计验证工具三大部分组成。沈阳航空航天大学课程设计报告-5-第2章详细设计方案2.1顶层方案图的设计与实现顶层方案图是用来实现补码一位乘法器乘数与被乘数的输入和取补，以及结果的寄存和输出、二输入三输出选择器和运算控制电路、移位电路等逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，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，把输入以及输出信号安排到XCV200指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定。2.1.1创建顶层图形设计文件顶层图形文件的设计实体主要由取补电路（封装为QUBU），二输入三输出选择器（基于D2-4E的改装），乘数移位寄存器（封装为U11），部分积移位寄存器（基于FD实现），加法器（基于ADD8的改装），等模块组装而成的一个完整的可编程逻辑芯片U30。顶层图形文件结构如图2.1所示：图2.1顶层图形文件结构图沈阳航空航天大学课程设计报告-6-2.1.2器件的选择与引脚锁定（1）器件的选择由于硬件设计环境是基于伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板，故采用的目标芯片为XilinxXCV200可编程逻辑芯片。（2）引脚锁定把顶层图形文件中的所有输入、输出信号对应到XilinxXCV200芯片指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，各信号及XilinxXCV200芯片引脚对应关系如表2.1所示：表2.1信号和芯片引脚对应关系图形文件中的输入/输出信号XCV200芯片引脚信号GRDP50ZCLOCKP213FJWP47CLRP49VCCP48S1P80S2P81S3P82S4P84S5P85S6P86S7P87Y1P95Y2P96Y3P97Y4P100Y5P101沈阳航空航天大学课程设计报告-7-Y6P102Y7P103E0P63E1P73E2P72E3P71E4P70E5P66E6P65E7P642.1.3编译、综合、适配利用Xilinxfoundationf3.1的原理图编辑器对顶层图形文件进行编译，并最终生成网络表文件，利用设计实现工具经综合、优化、适配，生成可供时序仿真的文件和器件下载编程文件。2.2功能模块的设计与实现功能模块主要由取补电路，二输入三输出选择器，移位寄存器，部分积移位寄存器等模块组成，由XilinxXCV200可编程逻辑芯片分别实现。2.2.1取补模块的设计与实现进行求补的方法就是从数的最右端0a开始，由右向左，直到找出第一个“1”，例如1ia，ni0。则ia以左的每一个输入位都求反，即1变0，0变1。最右端的起始链式输入1C必须永远置成“0”。