基于Actel FPGA的4位ALU設計方案

FPGA、ARM、DSP成為電子工程技術的市場的核心的控制器。尤其是FPGA，由于它具有處理速度高、可并行執行和高靈活性的特點，因此常被用于通信、工業控制等領域。基于ActelFpGA的4位ALU的設計方案，為學習FPGA的設計和CPU的設計提供了基礎。它給大學老師和同學們提供了一個很好了解和設計CPU的機會。你想設計自己的CPU嗎?只要使用我們的方案，你就可以!

本文主要介紹采用高可靠性、低成本的Actel FPGA-A3P010來實現一個4位的算術邏輯單元ALU的系統，為大家提供一種學習和設計CPU的實現方案。本方案是為了滿足FPGA的教育教學需求而設計的，結合了Actel FpGA單芯片、上電即行、低成本、低功耗、高安全性和高可靠性的優點，使得該ALU的系統在教育教學中很容易實現。如果采用I／O資源數較多的A3P015，該方案可以很容易地擴展為8位總線的ALU，為設計更高性能的CPU提供了基礎。想學習FPGA，就從學習基于ActelFPGA的4位ALU方案開始!

1 概述

(1)功能概述

·支持16種4位數據長度的邏輯運算操作，包括與、或、非、異或、同或等邏輯運算功能：

·支持16種4位數據長度的算術運算操作，包括加法、減法的算術運算功能：

·算術運算操作支持進位輸入和進位輸出的功能，并支持進位生成輸出和進位傳送輸出的功能；

·支持邏輯運算與算術運算混合的運算操作；

·支持兩操作數比較大小的功能；

·兼容74HCl81的功能：

·支持擴展功能，可以很容易地實現由4位總線擴展到8、16位總線的ALU：

·資源占用率低。可用Actel的A3P010實現4位總線的ALU，如果擴展為8位總線功能可用A3P015及以上器件實現，具體占用資源情況與實際的功能有關；

·FPGA的可編程性使得功能設計非常靈活，可以根據用戶需求定制特殊功能：

·真正完美的單芯片、低成本、低功耗解決方案：

·ActelFPGAS的FlashLock加密，保護您的設計：

·Acrel FPGA的固件錯誤免疫使得系統可以工作于較惡劣的環境中，可靠性極高。

(2)系統框圖

如圖1所示。這是ALu的硬件系統框圖。該ALU由六個功能模塊組成。分別為邏輯運算模塊、算術運算模塊、進位模塊、比較模塊、16選1的多路選擇器模塊和2選1的多路選擇器模塊。信號端口的功能說明見表1所示。

ALU按照接口類別劃分，可以把整個系統的接口分為：控制接口、數據接口。詳細的接口信息，如表1所示。

(3)ALU的邏輯功能表

ALU的邏輯功能表，如表2所示。ALU在模式控制輸入端mode control的控制下，可以選擇邏輯運算功能或算術運算功能。當mode control為高電平1時，ALU執行4位邏輯運算操作；當mode control為低屯平0時，它執行4位算術運算操作，具體執行的操作可由功能選擇輸入端select_input[3：0]控制。例如，當mode_control=1，select input[3：0]=“0000”時執行的是邏輯運算function output=的操作。

2 各功能模塊介紹

(1)邏輯運算功能模塊

ALU的第一大功能就是可以進行邏輯運算。當ALU執行邏輯運算操作時，模式控制輸入端mode control=1，輸入輸出端carry，JnPuh generate output、propagate output、carry output、cmp_output不影響邏輯運算結果，operand_a[3：0]，operand_b[3：0]是兩個4位輸入的操作數，select_input[3：O]是選擇輸入控制端，function output[3：0]是4位邏輯運算結果的輸出端，具體的邏輯運算時序如圖2所示。

(2)算術運算功能模塊

ALU的第二大功能就是可以執行算術運算。當ALU執行算術運算時，橫式控制輸入端mode control=O，進位輸入端carry，input對算術運算的結果有影響，generate_output、propagateoutput、carry output、crop output根據運算的結果而變化，operand_a[3：0]，operand_b[3：0]是兩個4位輸入的操作數，select_input[3：0]是4位選擇輸入控制端，function_output[3：0]是4位算術運算結果的輸出端。具體的時序如圖3所示。

(3)比較功能模塊

ALU的第三大功能就是可以執行比較大小運算功能。當ALU執行兩操作數比較大小時，橫式控制輸入端mode control=0，進位輸入端carry_input=1，選擇輸入端select_input[3：0]=“0110”，operand_a[3：0]、operand_b[3：0]是兩個4位將要比較大小的操作數。比較大小輸出端crop output與進位輸出端carryoutput共同確定兩操作數比較大小的結果。

3 市場應用

基于Actel FPGA實現4位ALU的解決方案，主要是為了滿足FPGA的教育教學需求而設計的。本公司為了提高大學生對FPGA的學習興趣，并改善FPGA傳統教學方式，特意設計了此方案。由FPGA設計的ALu擴展的靈活性大，可以很容易地擴展為8位總線的ALu，為設計高性能的CPU提供了基礎。

4 小結

本文主要介紹了基于Actel FPGA的4I~ALU系統的功能和應用。敬請關注周立功公司的網站www.zlgmcu.com以獲得更多的信息。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務和技術支持，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，并請關注下期的FPGA專題技術講座。