组成原理-超前进位加法器设计

《计算机组成原理》实验报告专业：学号：学生姓名：实验日期：实验二一、实验名称：超前进位加法器设计二、实验目的：1掌握超前进位加法器的原理及其设计方法。2熟悉CPLD应用设计及EDA软件的使用。三、实验设备：PC机一台，TD-CMA实验系统一套，排线若干。四、实验内容：1.了解加法器的工作原理，掌握超前进位产生电路的设计方法.2.正确将电路原理图下载到试验箱中.3.正确通过实验箱连线实现4位二进制数的相加并得到正确结果五、实验原理：加法器是执行二进制加法运算的逻辑部件，也是CPU运算器的基本逻辑部件（减法可以通过补码相加来实现）。加法器又分为半加器和全加器（FA），不考虑低位的进位，只考虑两个二进制数相加，得到和以及向高位进位的加法器为半加器，而全加器是在半加器的基础上又考虑了低位过来的进位信号。表1-2-11位全加器真值表A、B为2个1位的加数，Ci为来自低位的进位，S为和，Co为向高位的进位，根据表1-2-1所示的真值表，可得到全加器的逻辑表达式为：S=ABCi+ABCi+ABCi+ABCiCo=AB+ACi+BCi根据逻辑表达式，可得到如图1-2-1所示的逻辑电路图。有了1位全加器，就可以用它来构造多位加法器，加法器根据电路结构的不同，可以分为串行加法器和并行加法器两种。串行加法器低位全加器产生的进位要依次串行地向高位进位，其电路简单，占用资源较少，但是串行加法器每位和以及向高位的进位的产生都依赖于低位的进位，导致完成加法运算的延迟时间较长，效率并不高。C0=0Ci+1=AiBi+AiCi+BiCi=AiBi+(Ai+Bi)Ci设gi=AiBipi=Ai+Bi则有：Ci+1=gi+piCi=gi+pi(gi-1+pi-1Ci-1)=gi+pi(gi-1+pi-1(gi-2+pi-2Ci-2))…=gi+pi(gi-1+pi-1(gi-2+pi-2(…(g0+p0C0)…)))=gi+pigi-1+pipi-1gi-2+…+pipi-1…p1g0+pipi-1…p1p0C0由于gi、pi只和Ai、Bi有关，这样Ci+1就只和Ai、Ai-1、…、A0，Bi、Bi-1、…、B0及C0有关。所以各位的进位Ci、Ci-1、…、C1就可以并行地产生，这种进位就叫超前进位。定义Gi,j=gi+pigi-1+pipi-1gi-2+…+pipi-1…pj+1gjPi,j=pipi-1…pj+1pj则有Gi,i=giPi,i=piGi,j=Gi,k+Pi,kGk-1,jPi,j=Pi,kPk-1,jCi+1=Gi,j+Pi,jCj从而可以得到表1-2-2所示的算法，该算法为超前进位算法的扩展算法，这里实现的是一个8位加法器的算法。表1-2-2超前进位扩展算法六、实验步骤：(1)根据上述加法器的逻辑原理使用QuartusII软件编辑相应的电路原理图并进行编译，其在EPM1270芯片中对应的引脚如图1-2-7所示，框外文字表示I/O号，框内文字表示该引脚的含义（本实验例程见‘安装路径\Cpld\Adder\Adder.qpf’工程）。(2)关闭实验系统电源，按图1-2-8连接实验电路。(3)打开实验系统电源，将生成的POF文件下载到EPM1270中去。(4)以CON单元中的SD17…SD10八个二进制开关为被加数A，SD07…SD00八个二进制开关为加数B，K7用来模拟来自低位的进位信号，相加的结果在CPLD单元的L7…L0八个LED灯显示，相加后向高位的进位用CPLD单元的L8灯显示。给A和B置不同的数，观察相加的结果。七、实验结果1、输入:0010000000110000结果:010100002、输入:1010000101100001结果:100000010八、心得体会实验的过程不仅体现了我们的动手能力，还考察了我们对所学内容的掌握程度，协助我们更加清晰地了解我们所学习的东西。本次实验让我知道了，相比于其他加法器，超前进位加法器最大优点在于减少了进位等待延迟，大大提高了运算的速度，因此在其他的运算器中得到了广泛应用。通过这次实验使我懂得了理论与实际相结合是很重要的.从理论中得出结论，才能真正验证理论知识的正确性，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。