目前許多FPGA" title="FPGA">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" title="SOPC">SOPC已經(jīng)成為可能,。算術(shù)邏輯單元ALU" title="ALU">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,。
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。
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(fù)數(shù)。令
,，如果d=0則被除數(shù)與除數(shù)同為正數(shù)或者負(fù)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(fù)數(shù),。被除數(shù)是負(fù)數(shù)時余數(shù)為負(fù)，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,。
3 結(jié)束語
文中在FPGA芯片上，利用VHDL語言設(shè)計了功能強大的32位ALU,。由于ALU是CPU的重要組成部分,，各類系統(tǒng)中都不可避免地需要ALU，因此本設(shè)計的應(yīng)用泛圍較廣,。