關(guān)于通過FPGA中VHDL語言實現(xiàn)ALU的功能設(shè)計詳解

目前許多FPGA的邏輯資源（LE）都已超過1萬門，使得片上可編程系統(tǒng)SOPC已經(jīng)成為可能。算術(shù)邏輯單元ALU應(yīng)用廣泛，是片上可編程系統(tǒng)不可或缺的一部分。利用VHDL語言在FPGA芯片上設(shè)計ALU的研究較少，文中選用FPGA來設(shè)計32位算術(shù)邏輯單元ALU，通過VHDL語言實現(xiàn)ALU的功能。

1 電路總體設(shè)計思想

算術(shù)邏輯單元ALU采用模塊化設(shè)計，可以完成32位有符號數(shù)和無符號數(shù)的加減乘除，還可以實現(xiàn)9種邏輯運算、6種移位操作以及高低字節(jié)內(nèi)容互換等操作。

總體設(shè)計圖，如圖1所示。當(dāng)you_wu=1時實現(xiàn)有符號數(shù)加減乘除運算，否則為無符號數(shù)運算。進行有符號數(shù)加減運算時c為符號位，無符號數(shù)加減運算時c表示進位或借位。加減法運算和邏輯運算結(jié)果存于y1。乘運算時，y1放高32位，y2放低32位。除法運算時y1放商，y2放余數(shù)。a，b表示兩路32位輸入數(shù)據(jù)。

2 主要模塊功能分析

算術(shù)邏輯單元ALU包含5個模塊：控制模塊、邏輯模塊、加減法模塊、乘法模塊和除法模塊?？刂颇K比較簡單，即1個2線～4線譯碼器，完成其他模塊的控制與選擇。當(dāng)ctr=00時完成邏輯運算，ctr=01時完成加減法運算，ctr=10時完成乘法運算，ctr=11時完成除法運算。

2．1 邏輯運算模塊

本模塊實現(xiàn)與、或、非、與非、或非、異或、同或、邏輯左移、邏輯右移、算術(shù)左移、算術(shù)右移、邏輯循環(huán)左移、邏輯循環(huán)右移以及高低半字（16位）分別取反和高低字內(nèi)容互換等操作。用1個case語句即可實現(xiàn)上述全部功能。

2．2 加減法模塊

加減法模塊可根據(jù)需要完成32位有符號數(shù)和無符號數(shù)的加減運算，在程序開始時先判斷所要進行的運算有無符號數(shù)，對于有符號數(shù)，用符號位將兩組數(shù)擴展為33位二進制數(shù)，否則用0擴展為33位二進制數(shù)，其中減法運算采用補碼實現(xiàn)，所以整個程序只有加法運算。程序只占用68個邏輯資源（LE），非常節(jié)省資源，而且速度很快，是一種優(yōu)化設(shè)計。仿真圖如圖2所示。

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2．3 乘法模塊

比較好的帶符號數(shù)的乘法是布斯（Booth）算法。但是本模塊既要實現(xiàn)有符號數(shù)運算，也要實現(xiàn)無符號數(shù)運算，用Booth算法反而復(fù)雜。綜合考慮邏輯資源的使用和速度兩個方面的因素，本設(shè)計采用下面的算法：不管是有符號數(shù)還是無符號數(shù)乘法，都轉(zhuǎn)換成無符號數(shù)相乘，最后根據(jù)需要對計算結(jié)果進行轉(zhuǎn)換。如果是無符號數(shù)相乘，乘積不作變化。如果是有符號數(shù)相乘，只有兩位乘數(shù)符號不一樣時才對乘的結(jié)果做處理，否則結(jié)果不變。乘積處理的方法是將乘積取反加1。假設(shè)乘數(shù)是32位數(shù)a，b，乘法主要通過移位和加法組成，設(shè)a=a31，a30…a0，如果ai=1則b向左移i位且右邊添i個0，否則b不作變化，a中有多少個1就要進行多少次移位操作，最后將所有移位值相加既得a×b的值。乘法的仿真圖如圖3所示。仿真結(jié)果表示設(shè)計完全正確。32位有符號和無符號數(shù)乘法模塊占用邏輯資源不到800 LE，且由于各種移位并發(fā)進行，故速度較快。

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2．4 除法模塊

目前運用VHDL進行乘法運算的研究較多，而除法只有少數(shù)學(xué)者研究。文中綜合考慮速度和資源的占用，采取下列算法實現(xiàn)：對于32位無符號被除數(shù)a，先將a轉(zhuǎn)換成高32位是0低32位是a的數(shù)temp_a。在每個周期開始時temp_a向左移動一位，最后一位補0，然后判斷temp_a的高32位是否≥除數(shù)b，如是則temp_a的高32位減去b并且低32位加1，得到的新值仍賦給temp_a。如不是直接進入下一步。上面的移位、比較、減法要進行32次，經(jīng)過32個周期后，運算結(jié)束，所得到的temp_a的高32位為余數(shù)，低32位為商。

對于32位有符號數(shù)的除法，采用的算法是將被除數(shù)與除數(shù)均變成無符號的32位數(shù)，緊接著的計算過程與無符號數(shù)除法一樣，只是需要判斷商和余數(shù)是正數(shù)還是負數(shù)。令，如果d=0則被除數(shù)與除數(shù)同為正數(shù)或者負數(shù)，最終商為正數(shù)。如果d=1說明被除數(shù)與除數(shù)符號相反，最終商為負數(shù)。被除數(shù)是負數(shù)時余數(shù)為負，否則為正。最后根據(jù)d的值對商作處理；如果d=0商不需任何處理，如果d=1則將商取反加1才是正確的結(jié)果。余數(shù)的調(diào)整則根據(jù)被除數(shù)的符號位進行。

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