计算机组成原理实验2——ALU的设计
叠甲：本人三本985大二差生，什么都不会，文章都是自己的学习记录，没有任何参考价值，难免有不少错误，请大家轻点喷。
注：实验的quartus实现可联系我提供，实验报告中原理和实现过程已经很清晰，自己实现对学习更有帮助。
计算机组成原理实验二 ALU的设计
一、实验内容
（1）测试加减法器的功能。
（2）设计并实现具有加法、减法、逻辑与、逻辑非功能的8位ALU，算术运算影响结果标志ZF、CF、OF、SF，逻辑运算仅影响ZF标志，验证其正确性。
二、电路设计与实现
（提示：主要包括需求分析、模块划分、引脚组织，以及器件选择、信号命名及电路组成，注意描述分析与设计的过程）
- 加减法器
加减法器直接使用lpm_add_sub模块实现8位有符号加法
如图所示
-
- ALU
ALU中使用lpm_add_sub模块实现加减功能，lpm_and实现逻辑与功能，lpm_inv实现逻辑非功能。使用lpm_mux模块作为数据选择器
电路如图所示：
三、电路正确性验证
1、电路仿真
加减法器仿真：
- 加法
两组++
两组--
一组+-
- 减法
两组+-
两组-+
一组++
ALU仿真：
- 逻辑非功能
- 逻辑与功能
（3）加法功能
（4）减法功能
2、结果分析
（1）加减法器仿真
加法：
两组++：00000001+00000010=00000011.结果为00000011，符号位为0，结果正确；
01111111+01111111=11111110，符号位变为1，结果溢出，overflow为1
两组--：100000001+10000010=100000011，舍去进位为00000011，符号位为0，错误，overflow为1；
一组+-：加减法时符号位总是不会出错，因此overflow始终为0
减法：
两组+-：00000001-10000001=10000000，符号位为1，错误，overflow为1；
00000001-11111111=00000010，符号位为0，正确，overflow为0
两组-+：10000001-01111111=00000010，符号位为0，错误，overflow为1
10000001-00000001=10000000，符号位为1，正确，overflow为0
两组++；符号位不会溢出，overflow始终为0
（2）ALU仿真
逻辑非功能：逻辑非使得各个位置的0变为1，1变为0，故11111111变为00000000，00000000变为111111111
逻辑与功能：逻辑与使得各个位置上进行与运算，因此11111111与00000001运算结果为00000001，00000000与00000001的运算结果是00000000
对四个标志位的分析：
CF：CF的意义为进位/借位，
在加法中011111111+01111111=11111110，最高位未发生进位，CF为0；11111111+01111111最高位发生了进位，故CF为1；
在减法中01111111-11111111=10000000发生了借位，故CF为1；11111111-11111111=00000000，没发生借位，结果为0；
SF：代表着结果的符号位，
在加法中，011111111+01111111=11111110，符号位1；011111111+011111110=01111110的符号位0；
在减法中，01111111-11111111=10000000，符号位1；11111111-11111111=00000000，符号位0
OF：代表溢出的符号
加法运算中，011111111+01111111=11111110，两个正数相加，得到了负数，说明发生了溢出，故OF为1；111111111+01111111=01111110，符号位正确，说明未溢出，故OF为0
减法运算中，01111111-11111111=10000000，发生溢出，OF为1；11111111-11111111=00000000，不溢出，OF为0；
ZF：判断为0.在逻辑非中，11111111的非为00000000，为0，因此ZF=1；00000000的非不为0，因此ZF=0；
减法运算中，11111111-11111111为0，ZF为1；
四、实验小结
分工：（单人组）
设计总结：把ALU的每个功能所需的部件设计出来，逻辑非用lpm_inv，逻辑与用lpm_and，加减使用lpm_add_sub来实现，最后用选择器选择所需的结果
有待改进之处：走线比较乱
实验体会：选取合适的数据测试是很重要的，有时候设计图是有问题的，但只有少数的数据能找出问题，所以要注重测试