组成原理课设阵列乘法器

沈阳航空工业学院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：阵列乘法器的设计院（系）：计算机学院专业：计算机科学与技术班级：4401102学号：200403011062姓名：余舟华指导教师：李平完成日期：2006年12月31日沈阳航空工业学院课程设计报告-I-目录、.......................................................................................................错误!未定义书签。第1章总体设计方案..................................................................................................11.1设计原理..............................................................................................................11.3设计环境..............................................................................................................3第2章详细设计方案..................................................................................................42.1顶层方案图的设计与实现..................................................................................42.1.1创建顶层图形设计文件..................................................................................42.1.2器件的选择与引脚锁定..................................................................................42.2功能模块的设计与实现......................................................................................52.3仿真调试.................................................................................................................9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........................................................................................................................12附录：电路图................................................................................................................13沈阳航空工业学院课程设计报告第1章总体设计方案-1-第1章总体设计方案1.1设计原理串行方法毕竟太慢，执行一次乘法的时间至少是执行一次加法时间的n倍，不能满足科学技术对高速乘法所提出的要求。自从大规模集成电路问世以来，高速的单元阵列乘法器应运而生，出现了各种形式的硬件乘法器的常规设计是适用“串行移位”和“并行加法”相结合的方法，这种方法并不需要很多器件。然而流水线阵列乘法器，它们属于并行乘法器，提供了极快的速度。如图所示的一个阵列乘法器完成X*Y乘法运算（X=X1X2X3X4，Y=Y1Y2Y3Y4）。阵列的每一行送入乘数Y的每一位数位，而各行错开形成的每一斜列则送入被乘数的每一数位。图中每一个方框包括一个与门和一个两位全加器。阵列乘法器的原理框图如图1.1所示，X[4：1]，Y[4：1]分别是乘数和被乘数输入端，MULT[8：1]为乘积输出端。沈阳航空工业学院课程设计报告第1章总体设计方案-2-图1.1阵列乘法器原理框图阵列乘法器实现的功能是计算两个四位二进制间的算法，由数据总线将乘数Y[4：1]和被乘数X[4：1]送到乘法器中，经阵列乘法器计算出结果由总线MULT[8：1]输出。阵列乘法器是由相同的细胞块构成，呈阵列阵型。阵列乘法器完X*Y乘法运算X=X1X2X3X4，Y=Y1Y2Y3Y4）。阵列的每一行送入乘数Y的每一位数位，而各行错开形成的每一斜列则送入被乘数的每一数位。在设计的电路中，有许多相同的细胞块组成，而细胞块包括一个与门和一个2位全加器。X、Y、PIN、CIN是输入，COUT、POUT是输出。在设计的过程中，采用的是由内到外封装，也就是先将最底层电路封装到创建的器件中，由外到内一层套一层。整个阵列乘法器主要由阵列块组成，而阵列块是由与门和二位全加器组成，所以在封装的时候，先把二位全加器封装到ADD2中，然后将ADD2和与门封装到细胞块PART中，最后将PART封装到乘沈阳航空工业学院课程设计报告第1章总体设计方案-3-法器MUX中，和输入、输出组成完整的电路。阵列乘法器的整体设计主要是由相同的细胞块实现的，而细胞块包含两输入与门模块和二位全加器模块，两输入与门模块和全加器模块作为底层设计，采用原理图设计输入方式，顶层的全加器采用原理图设计输入方式。1.3设计环境·硬件环境：伟福COP2000型计算机组成原理实验仪、XCV200实验板、微机。·EDA环境：FOUNDATION设计软件。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。设计入口工具包括原理图编辑器、有限状态机编辑器、硬件描述语言（HDL）编辑器、LogiBLOX模块生成器、Xilinx内核生成器等软件。气功能是：接收各种图形或文字的设计输入，并最终生成网络表文件。设计实现工具包括流程引擎、限制编辑器、基片规划器、FPGA编辑器、FPGA写入器等软件。设计实现工具用于将网络表转化为配置比特流，并下载到器件。时设计验证工具包括功能和时序仿真器、静态时序分析器等，可用来对设计中的逻辑关系及输出结果进行检验，并详尽分析各个时序限制的满足情况。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，该软件在Windows下运行。沈阳航空工业学院课程设计报告第3章编程下载与硬件测试-4-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实现阵列乘法的逻辑功能，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/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主要由三大块组成：分别是乘数、被乘数的输入、乘积输出、和自己封装的乘法器件MUX组装而成的一个完整的设计实体。可利用XilinxISEECS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所示。图2.1阵列乘法器的顶层图形文件结构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XlinxXCV200可编程逻辑芯片。（2）引脚锁定把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到XlinxXCV200芯片指定的引脚上沈阳航空工业学院课程设计报告第3章编程下载与硬件测试-5-去，实现芯片的引脚锁定，各信号及XlinxXCV200芯片引脚对应关系如表2.1所示。芯片和管脚对应表：芯片内部信号图形文件中的输入、输出信号对应的管脚X1A1P94X2A2P95X3A3P96X4A4P97Y1B1P100Y2B2P101Y3B3P12Y4B4P103MULT1M1P215MULT2M2P216MULT3M3P217MULT4M4P218MULT5M5P220MULT6M6P221MULT7M7P222MULT8M8P2232.2功能模块的设计与实现功能模块中，包括乘法器（MUX）、细胞块（PART）、全加器都是由逻辑框图设计实现的。沈阳航空工业学院课程设计报告第3章编程下载与硬件测试-6-2.2细胞块PART的设计与实现（1）创建元件图形符号：细胞块由一个与门和一个全加器实现，其中X、Y、PIN、CIN是输入端，COUT、POUT是输出端：（2）实现器件功能：（3）功能仿真对创建的半加器元件（H_ADDER）进行功能仿真，验证其功能的正确性，可用XilinxISE编译器的Simulator模块实现。沈阳航空工业学院课程设计报告第3章编程下载与硬件测试-7-功能仿真波形结果如图所示，仿真数据结果如表所示。对表与表的内容进行对比，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性。2.2.3乘法器的设计与实现(1)创建图形符号其中X[4：1]是被乘数输入、Y[4：1]是乘数输入，MULT[8：1]是乘积输出，都是经过总线传输的。XYPINCINPOUTCOUT111111011101101010001010110101010110沈阳航空工业学院课程设计报告第3章编程下载与硬件测试-8-(2)器件实现XYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTXYCINCOUTPINPOUTGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDX1X2X3X4X[4:1]Y[4:1]Y4Y3Y2Y1MULT[8:1]MULT1MULT2MULT3MULT4MULT5MULT6MULT7MULT8（2）功能仿真功能仿真波形结果如图所示，仿真数据结果如表所示。对表与表的内容进行对比，可以看出功能仿真结果是正确的，进而说明电路设计正确性。被乘数X乘数Y乘积MULT0504140308180A095A040B2C沈阳航空工业学院课程设计报告第3章编程下载与硬件测试-9-2.3仿真调试仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的电路进行仿真。（1）建立仿真波形文件及仿真信号选择功能仿真时，首先建立仿真波形文件，选择仿真信号，对选定的输入信号设置参数，选定的仿真信号和设置的参数如表2.2所示。表2.2仿真信号选择和参数设置（2）功能仿真结果与分析功能仿真波形结果如图所示，仿真数据结果如表所示。对表与表