8位算术逻辑单元设计电子12-1 12060401248位算术逻辑单元设计1. 概述算术逻辑单元(arithmetic and logic unit) 是能实现多组算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路，简称ALU算术逻辑单元（Arithmetic&logical Unit）是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由"And Gate"（与门） 和"Or Gate"（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)基本上，在所有现代CPU体系结构中，二进制都以补码的形式来表示通常而言，ALU具有对处理器控制器、内存及输入输出设备的直接读入读出权限输入输出是通过总线进行的输入指令包含一个指令字，有时被称为机器指令字，其中包括操作码，单个或多个操作数，有时还会有格式码；操作码指示ALU机要执行什么操作，在此操作中要执行多少个操作数比如，两个操作数可以进行比较，也可以进行加法操作 格式码可与操作码结合，告知这是一个定点还是浮点指令；输出包括存放在存储寄存器中的结果及显示操作是否成功的设置如操作失败，则在机器状态字中会有相应的状态显示 。
大部分ALU都可以完成以下运算∶整数算术运算（加、减，有时还包括乘和除），位逻辑运算（与、或、非、异或），移位运算2. ALU设计2.1设计目标设计要求该处理器的数据宽度是8bit，可以实现算术加法、算术减法、逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非、逻辑或非和逻辑异或等8种运算2.2逻辑分析依照ALU的原理与逻辑结构原理图，用超前进位的方法能实现下面八种功能操作的4位ALU，并对电路进行封装设定：输入信号：A4-A1、B4-B1、F3-F1、低位进位端C0、（级联控制端G）；输出信号：S4-S1、进位C4 4位ALU的八种功能如下：把低位的进位连接到高一位的本位上，而当F3F2F1的值为001、011、101 时，C0的值为1，其余为0，于是C0应满足：C0=GF1/F1F2F3+C0/G而当F3F2F1=111时，Cn进位为0，所以进位输入应该满足：C0=(GF1/F1F2F3+C0/G)/F3F2F1C1=(X1Y1+(X1+Y1)C0)/F3F2F1C2=(X2Y2+(X2+Y2)C1)/F3F2F1C3=(X3Y3+(X3+Y3)C2)/F3F2F12.3设计实现下面给出8位ALU的设计图：其中输出端sub_in当加减模块，且做减法时为高（数据B取非后的加1）；其主要由两个4位的ALU串联而成。
四位ALU可以采用一位ALU组合而成一位ALU的设计采用一位全加器和一位函数发生器组成事实上，一位ALU的设计是在一位全加器的基础上对全加器进行逻辑运算扩展获得的为了实现多种功能的运算，输入端𝐴𝑛，𝐵𝑛不能直接接到全加器上，而是要通过函数发生器将𝐴𝑛，𝐵𝑛根据制约条件F3,F2,F1变成可以用在全加器上的输入变量X𝑛,𝑌𝑛，以实现需要的功能再通过X𝑛,𝑌𝑛和下一位进位端𝐶𝑛−1实现所需的功能ALU中CO为最低为的进位输入端，C4位最高纬度进位输入端，Sn为运算结果一位算逻运算单元的逻辑表达式(n=1、2、3、4)如下：下面给出四位ALU的设计图：最上面为一个四位八路的或，即每一位都是由八个结果的该位或而得（没选中的模块输出全为0）；中间位7个运算模块，选中时/choice端输入为低，未选中的模块其输出结果都为0；左下角为一个选择模块，根据输入的choice选中相应的模块低电平有效（类似74138），其另一输出端add/sub为是否选中加减法模块的输出端，选中为0加减法模块做加或减法由其输入端sub//add决定，低表示做加法，其连接选择模块的SL[0]即当choice为000（加法）时为低。
将sub_in接回Cin，改变Choice端做仿真，当第一个脉冲来时，A和B存入到寄存器中，之后通过改变Choice改变选中的模块，最终得出不同的结果；当Choice为0（000）时，加法，3+1 = 4； 当Choice为1（001）时，减法，3-1 = 2； 当Choice为2（010）时，与，3（0011）与1（0001）= 1（0001）； 当Ch oice为3（011）时，或，3（0011）或1（0001）= 3（0011）； 当Choice为4（100）时，非，3（0011）非 = 12（1100）； 当Choice为5（101）时，与或，3（0011）与非1（0001）= 14（1110）； 当Choice为6（110）时，或非，3（0011）或非1（0001）= 12（1100）； 当Choice为7（111）时，异或，3（0011）异或1（0001）= 2（0010）3. 心得体会通过这次AUL算术逻单元的设计，我掌握了组合逻辑电路设计的方法，对组合逻辑电路的设计有了更深入的认识对于组合逻辑电路的设计流程和方法有了深入的认识。
对我专业的学习有很大的帮助通过这次课程设计我完成了一个完整的逻辑部件的设计，加深了对数字组合逻辑设计的认识，提高了逻辑电路设计的能力为后续的学习打下来了坚实的基础。