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1、计算机组成原理课程设计集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#计算机组成原理课程设计题 目一位全加器(Quartusll II)学生指导教师年级2007级专业计算机科学与技术系别计算机系学院计算机信息与工程学院哈尔滨师范大学2010 年 6 月一、课 程 设 计 要 求课程 设 计 问 题描 述3课程设计任务要求3二、概 要 设 计加法器的基本概念 3EDA概述5Quartusll II 软件概述6一位全加器设计流程 2.4.1 一位全加器的基本概述62.4.2 一位全加器的原理图 6三、详细设计.为本项工程设计建立文件夹8输入设计项目和存盘 11将设
2、计项目设置成可调用的元件12设计全加器顶层文件14创建工程 14编译前设全程编译 时序仿真 四、收获及体会收获及体会18五、参考文献参考文献六、附录一位全加器代码一、课 程 设 计 要 求课程设计问描述众所周知，算术逻辑单元(ALU )既能完成算术运算也能完成逻辑运算，是微 处理器芯片中的一个十分重要的部件。但从基本算术运算的实现，我们可以看 到所有的加、减、乘、除运算最终都能归结为加法运算。在ALU完成的操作 中，逻辑操作是按位进行，各位之间彼此无关，不存在进位问题，这使得逻辑 运算速度很快，且是一个常数，不需进行过多的优化工作。但对于算术操作来 说，因为存在进位问题，使得某一位计算结果的得
3、出和所有低于它的位相关。 因此，为了减少进位传输所耗的时间，提高计算速度，人们设计了多种类型的 加法器，如行波进位(RIP)I法器、跳跃进位加法器(CSKA : CarrySKip Adders)、进位选择加法器(CSLA ： CarrySeLec t Adders)、超前进位加法器 (CLA : Carry一Lookahead Adders)等。它们都是利用各位之间的状态(进位传递函数P、进位产生函数G等)来预先产生高位的进位信号，从而减少进位从低位 向高位传递的时间。要求掌握使用Quartusll II软件对用可编程逻辑器件PLD进行开发与设 计，利用可编程逻辑器件 PLD(program
4、mable logic device) Quartusll II 软 件对一位全加器的进行合理正确的设计并且进行输入信号的测试。用门电路设计一个一位二进制全加器。要求输入两个加数ain、bin和一个 低进位cin,得出本位和sum和向高位进位cout。课程设计任务要求全加器是一个能对两个一位二进制数及来自低位的“进位”进行相加，产生本 位“和”及向高位“进位”的逻辑电路。该电路有3个输入变量，分别是2个加数 ain、bin 和 1 个低进位 cin，2 个输出变量，分别是本位 sum 和向高进位cout。在Quartusll II利用基本门电路中设计一位带进位加法器，通过该课程 设计理解和掌握
5、可编程逻辑器件 PLD 的应用和设计。主要目的就是了解和学习 这门新技术的原理与应用，让同学们尽快掌握使用EDA进行设计的方法，为后 续课程的学习打下良好的基础。二、概 要 设 计加法器的基本概念在数字电子系统领域，存在三种基本的器件类型：存储器、微处理器和逻 辑器件。 存储器用来存储随机信息，如数据表或数据库的内容。 微处理器执 行软件指令来完成范围广泛的任务，如运行字处理程序或视频游戏。 逻辑器件 提供特定的功能，包括器件与器件间的接口、数据通信、信号处理、数据显 示、时序和控制操作、以及系统运行所需要的所有其它功能。加法器是微处理器中最基本、最重要的模块,不仅在A L U、乘法器、除法
6、器中均包含加法器模块，而程序指针P C的自加、跳转指令的目标地址计算以及 访存地址的获得也需要加法器来完成。从指令执行频率上看,算术逻辑单元、程 序计数器、协处理器是C P U中使用频率最多的模块。加法器是为了实现加法的，即是产生数的和的装置。加数和被加数为输 入，和数与进位为输出的装置为。若加数、被加数与低位的进位数为输入，而 和数与进位为输出则为全加器。常用作计算机算术逻辑部件，执行逻辑操作、 移位与指令调用。对于1位的加法，相关的有五个的量：被加数ain,被加数 bin，前一位的进位cin，此位二数相加的和sum，此位二数相加产生的进位 cou t。前三个量为输入量，后两个量为输出量，五
7、个量均为1位。EDA概述世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅 助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。20 世纪 90 年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变 革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如、）的应 用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这 些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件 的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统 设计方法、设计过程和设计
8、观念，促进了 EDA技术的迅速发展。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描 述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、 综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映 射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操 作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子 系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分 析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信
9、、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到 EDA 技 术。Quartusll II 软件概述一位全加器设计流程2.4.1 一位全加器的基本概述 全加器是一个能对两个一位二进制数及来自低位的“进位”进行相加，产生本位和”及向高位“进位”的逻辑电路。该电路有3个输入变量，分别是2个加数ain、bin和1个低进位cin，2个输出变量，分别是本位sum和向高进位cout。位全加器（FA）的逻辑表达式为：sum 二 ainbincincou
10、t 二 ainbin + bincin + aincin其中 ain,bin为要相加的数，cin为进位输入；sum为和，cout 是 进位输出；2.4.2 一位全加器的原理图 根据位全加器的运算法则可得知位全加器的真值表，通过真值表可写出输出函数表达式：sum 二 ainbincincout 二 ainbin + bincin + aincin 由以上表达式可得出相应的逻辑电路如图所示。三、详细设计为本项工程设计建立文件夹为本项设计的文件夹取名为杨雪婷路径为E:杨雪婷输入设计项目和存盘原理图编辑输入流程如下：(1 )打开QuartusII,选菜单File一New,在弹出的对话框中选择Devic
11、e Design Files页的原理图文件编辑输入项Block Diagram/Schematic File,按 OK按钮后将打开原理图编辑窗口。( 2) 在编辑窗口中的任何一个位置上右击鼠标，将出现快捷菜单，选 择其中的输入元件项InsertSymbol，于是将弹出输入元件的对话框。(3 )单击按钮”，找到基本元件库路径项，选中需要的元件，单击 打开按钮，此元件即显示在窗口中，然后单击Symbol窗口的OK按钮，即 可将元件and2、not、xnor和输入输出引脚input和output分别调入原理图 编辑窗口中。然后分别在input和output的PIN NAME上双击使其变黑 色，再用键
12、盘分别输入各引脚名：a,b,co,so(4 )选择菜单FileSave As，选择刚才为自己的工程建立的目录E: 杨雪婷yangxueting，将已设计好的原理图文件取名为yangxuetingl(注意默 认的后缀是.bdf)，并存盘在此文件夹内。将设计项目设置成可调用的元件为了构成全加器的顶层设计，必须将以上设计的半加器设置成可调用 的元件。在打开半加器原理图文件的情况下，选择菜单File Create/UpdateCreate Symbol File for Current File 项，即可将当前文件变 成一个文件符号存盘，以待在高层次设计中调用。半加器设计全加器顶层文件为了建立全加器的
13、顶层文件，必须再打开一个原理图编辑窗口，方法同前，即再次选择菜单 FileNewBlock Diagram/Schematic File。在新打开的原理图编辑窗口双击鼠标，选择元件所在的路径E:杨雪婷yangxueting,调出元件，并连接好全加器电路图。全加器创建工程在此要利用 New Project Wizard 工具选项创建此设计工程，即令顶层设计为 工程，并设定此工程的一些相关信息，如工程名、目标器件、综合器、仿真 器等。(1) 打开建立新工程管理窗口。选择File一New Project Wizard命令，即弹出工程设置对话框(如图所示(2) 将设计文件加入工程单击下方的Next按钮
14、，在弹出的对话框中单击File栏的按钮，将与工程相关的 所有文件加入进此工程。方法有两种：单击Add All按钮，将设定的工程目 录中的所有文件加入到工程文件栏中；单击“ Add”按钮，从工程目录中选出 相关的文件(如图所示)。(3) 选择仿真器和综合器类型单击Next按钮，在弹出的窗口选择仿真器和综合器类型，在此都选择默认项 “NONE”。(4) 选择目标芯片单击Next按钮，选择目标芯片。首先在Family栏选芯片系列，在此选Cyclone 系列，并在此栏下单击Yes按钮，即选择一确定目标器件。再次单击Next按 钮，选择此系列的具体芯片EP1C12Q240C8。分别选择Package为P
15、QFP ； Pin 为240和Speed为8 (如图所示)。(5) 工具设置 单击Next按钮后，弹出的下一个窗口是EDA工具设置窗口 ： EDA ToolSettings。此窗口有三项选择：EDA design entry/synthesis tool,用于选择输入的 类型和综合工具；EDA simulation tool,用于选择仿真工具；EDA timing analysis tool,用于选择时序分析工具。(6) 结束设置。再单击Next按钮后即弹出工程设计统计窗口，最后点击Finish按钮，即已设 定好此工程。编译前设置选择FPGA目标芯片。步骤：选择Assignments菜单中的Settings项，在弹出的对话框中选择Category 项下Device。首先选择目标芯片为EP1C12Q240C8。(2) 选择配置器件的工作方式。单击Device& Pin Options按钮，进入选择窗口，这将弹出Device & Pin Options 窗口，首先选择 General 项(如图所示)。(3) 选择配置器件和编程方
