运算器组成实验
一、 实验目的
- 熟悉 Logisim软件平台。
- 掌握运算器基本工作原理
- 掌握运算溢出检测的原理和实现方法；
- 理解有符号数和无符号数运算的区别；
- 理解基于补码的加/减运算实现原理；
- 熟悉运算器的数据传输通路。
二、 实验环境
Logisim是一款数字电路模拟的教育软件，用户都可以通过它来学习如何创建逻辑电路，方便简单。它是一款基于 Java 的应用程序，可运行在任何支持 JAVA 环境的平台，方便学生来学习设计和模仿数字逻辑电路。Logisim中的主要组成部分之一就在于设计并以图示来显示 CPU。当然 Logisim中还有其他多种组合分析模型来对你进行帮助，如转换电路，表达式，布尔型和真值表等等。同时还可以重新利用小规模的电路来作为大型电路的一部分。
http://www.cburch.com/logisim/docs.html
三、实验内容
- 八位串行可控加减法器
- 四位先行进位电路CLA74182
- 四位快速加法器
- 十六位快速加法器
- 32位快速加法器
- 32位MIPS运算器
1.八位串行可控加减法器
1) 电路图
2) 设计分析与说明：
- 需要一个CLA74182作为来并行计算进位值，然后只需要4个一位全加器FA实现加法运算即可。
**输入：**X3X2X1X0, Y3Y2Y1Y0, Cin
**输出：**运算结果S的四位数据S3-S0，最高位进位Cout，p*,G*。
3) 实验结果的记录与分析：
输入：x = 1000 , y = 0100, Cin = 0 ; 输出：s = 1100, Cout = 0，p* = 0, G* = 0
分析：先对Xn、Yn分别进行AND和OR运算，送入CLA74182，再由此算出S3-S0
4) 操作步骤及顺序：
- 先求Gi=Xi Yi, Pi=Xi + Yi
- 根据CLA74182得出的C4 C3 C2 C1作为进位位， 分别与对应的每一位X和Y使用FA进行加法操作
- 得出运算结果四位数据S3-S0，以及最高位进位Cout，p*,G*。
4.十六位快速加法器
1) 电路图
TODO（上传图片的时候名字重复，导致文章的图片混了）
2) 设计分析与说明：
需要一个CLA74182作为来并行计算进位值，然后只需要4个四位快速加法器实现4位数的运算即可。
3) 实验结果的记录与分析：
输入：X = 0000 1100 0000 1100, Y = 1000 0100 1000 0100, Cin = 0;
输出：S = 1001 0000 1001 0000, Cout = 0, p* = 0, G* = 0
分析：将输入的32位数据分成4个4位数据分别送入，利用4位加法器分别算出S0-S3，利用CLA74182算出p* 和G*，结果正确，与预期相 符合。
4) 操作步骤及顺序：
- 将输入的32位数据分成4个4位数据分别送入4位快速加法器中
- 结合Cin的值得出S0-S3
- 将每一个4位快速加法器产生的p* 和G*送入CLA74182，算出最终的p* 和G*
- 得出最终结果
5.32位快速加法器
1)电路图
TODO（上传图片的时候名字重复，导致文章的图片混了）
2) 设计分析与说明：
- 需要一个CLA74182作为来并行计算进位值，然后只需要2个十六位快速加法器实现16位数的运算即可。
- 溢出检测方法1：根据操作数和运算结果的符号位是否一致来进行检测
设Xf,Yf分别为两个操作数的符号位，Sf为结果的符号位，V为溢出标志位，V=1时即表示溢出，
那么就有逻辑表达式：
2) 设计分析与说明：
- 逻辑右移、逻辑左移、算术右移：X表示操作数，Y表示移动的位数
- 乘法运算：R1低32位，R2高32位
- 除法运算：R1为商，R2为余数
- 加减法运算（0加1减）：运算结果存在R1，R2 = 0，区分有符号溢出和无符号溢出
- 无符号数溢出判断：当最高为向更高位有进位（或借位）时产生溢出。
- 有符号数溢出判断：最高数据位的进位与符号位的进位位是否一致进行检测
- 按位与，按位或，按位异或，按位或非使用相应器件完成运算
- 符号比较
- 无符号比较
**输入：**32位操作数1X，32位操作数2Y，AluOP运算器功能控制码S。
**输出：**结果1Result，结果2Result2，有符号运算溢出判断OF，无符号数溢出判断UOF，两操作数是否相等判断Equal
3) 实验结果的记录与分析：
- AluOP控制运算符功能，实现相应的运算。（功能较多，不一一举例）
分析：结合各功能的实际原理，分析结果是否正确，验证运算
4) 操作步骤及顺序：
- 输入操作数，根据运算符功能表选择AluOP的对应功能
- 输出运算结果
四、实验收获和体会
1、片选信号可以不连接即不做处理，或者接常量1，或者接译码器验证都是正确的。
2、可以通过电路中线的颜色判断哪里除了问题。常见的颜色判断：蓝色表示位置状态；红色表示信号冲突；亮绿色表示高电平
布线时，蓝色表示该点值未知，灰色表示未连接到任何东西。在布线过程中，出现蓝色和灰色都是正常的。但是布线完成后就不应该出现了。
仿真时，不应出现蓝灰，戳工具点Pin使其值改变。值为1的线浅绿，0为深绿。如果多位线路传输，则为黑色。出现绿色黑色都是正常的。
但是出现红色代表：布线错误，产生冲突
3、解复用器有一个输入、选择（定义哪个输出端输出输入数据）、输出，而译码器只有选择（选择哪个输出为1）和输出。
五、实验中碰到的问题和解决的方法
- 线路连接过程中遇到电路逻辑完全正确，但点路线却显示蓝色
? 解决方法：在电路正确的前提下，重启logism，重启后就不会出现蓝色。若仍出现蓝色的线，则需要重新检查电路。
Pin使其值改变。值为1的线浅绿，0为深绿。如果多位线路传输，则为黑色。出现绿色黑色都是正常的。
但是出现红色代表：布线错误，产生冲突
3、解复用器有一个输入、选择（定义哪个输出端输出输入数据）、输出，而译码器只有选择（选择哪个输出为1）和输出。
来源：SweetWiner
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