计算逻辑单元(ALU)和存储单元
计算逻辑单元(ALU)和存储单元
本节参考算术逻辑单元 ALU
一 ALU单元
arithmetic and logic unit 算术逻辑单元,简称ALU,是计算机的数学大脑,也就是计算机里负责运算的组件,比如把两个数相加。基本其他的组件都用到了ALU,它有两个 单元 一个算术单元,一个逻辑单元。
1 算术单元
算术单元指完成加减基础运算的单元,例如简单的二进制加法运算电路即半加器,器电路原理图 如下所示。
其中SUMSUMSUM为加法本位值CHERRYCHERRYCHERRY为进位。
同时可以用两个半加器组合成全加器如下图。
然后进行封装可以为。
当很多个全加器叠加起来就可以实现多位的加法,如常见的计算机8位加法运算。
其他操作,可以使得输入
- 加法(ADD)
- 减法(SUBTRACT)
- 增量+1(INCREMENT)
- 减量-1(DECREMENT)
2 逻辑单元
顾名思义,逻辑单元在计算机内负责执行逻辑操作。比如之前说的“与”,“或”,“非”,“异或”。另外,它还能做简单的数值测试,比如利用许多个“或门”,来检测一个8位数字是否为“0”:
它接受两个操作数输入(InA,InBInA,InBInA,InB),以及1个表示要进行的是哪个运算的操作代码(Opcode),然后输出一个结果(Out)(Out)(Out)。
另外 ALU 还会有各种标志位(flag)(flag)(flag),来表示计算的状态。例如: 进位标志(CarryflagCarry flagCarryflag)表示这次计算有没有进位,0标志(ZeroflagZero flagZeroflag)表示这次计算的结果是不是为0,这样就可以方便地判断计算是否溢出,或者两个输入的数是否相等。高级的$ ALU$ 中,会有更多的标志位,可以帮助处理器更快更方便地运算。
软件部分(verilog)
加法
减法
有符号比较,小于置位
无符号比较,小于置位
按位与
按位或非
按位或
按位异或
逻辑左移
逻辑右移
算术右移
高位加载
`timescale 1ns / 1ps
//*************************************************************************
// > 文件名: alu.v
// > 描述 :ALU模块,可做12种操作
// > 作者 : LOONGSON
// > 日期 : 2016-04-14
//*************************************************************************
module alu(input [11:0] alu_control, input [31:0] alu_src1, input [31:0] alu_src2,output [31:0] alu_result );reg [31:0] alu_result;wire alu_add; //加法wire alu_sub; //减法wire alu_slt; //有符号比较,小于置位wire alu_sltu; //无符号比较,小于置位wire alu_and; //按位与wire alu_nor; //按位或非wire alu_or; //按位或 wire alu_xor; //按位异或wire alu_sll; //逻辑左移wire alu_srl; //逻辑右移wire alu_sra; //算数右移wire alu_lui; //高位加载assign alu_add = alu_control[11];assign alu_sub = alu_control[10];assign alu_slt = alu_control[ 9];assign alu_sltu = alu_control[ 8];assign alu_and = alu_control[ 7];assign alu_nor = alu_control[ 6];assign alu_or = alu_control[ 5];assign alu_xor = alu_control[ 4];assign alu_sll = alu_control[ 3];assign alu_srl = alu_control[ 2];assign alu_sra = alu_control[ 1];assign alu_lui = alu_control[ 0];wire [31:0] add_sub_result; //加减结果,减法用加法来实现wire [31:0] slt_result; //wire [31:0] sltu_result; //wire [31:0] and_result;wire [31:0] nor_result;wire [31:0] or_result;wire [31:0] xor_result;wire [31:0] sll_result;wire [31:0] srl_result;wire [31:0] sra_result; //wire [31:0] lui_result;wire signed [31:0] temp_src1; //带符号数的临时变量assign temp_src1 = alu_src1; //方便后面对alu_src1进行算数右移assign and_result = alu_src1 & alu_src2; //按位与assign or_result = alu_src1 | alu_src2; //按位或assign nor_result = ~or_result; //或非assign xor_result = alu_src1 ^ alu_src2; //异或assign lui_result = {alu_src2[15:0], 16'd0}; //高位加载,第二个操作数的低十六位加载到高十六位上assign sll_result = alu_src1 << alu_src2; //逻辑左移assign srl_result = alu_src1 >> alu_src2; //逻辑右移assign slt_result = adder_result[31] ? 1'b1 : 1'b0; // 带符号数小于置位assign sltu_result = adder_cout ? 1'b0 : 1'b1; //无符号数小于置位assign sra_result = temp_src1 >>> alu_src2; //算数右移wire [31:0] adder_operand1;wire [31:0] adder_operand2;wire adder_cin ;wire [31:0] adder_result ;wire adder_cout ;assign adder_operand1 = alu_src1; assign adder_operand2 = alu_add ? alu_src2 : ~alu_src2; //默认进行减法,为slt和sltu服务assign adder_cin = ~alu_add; //巧妙到我都以为代码有bugadder adder_module( //调用加法模块.operand1(adder_operand1),.operand2(adder_operand2),.cin (adder_cin ),.result (adder_result ),.cout (adder_cout ));
assign add_sub_result = adder_result;always@(*)beginif(alu_add | alu_sub)alu_result <= add_sub_result;else if(alu_slt)alu_result <= slt_result;else if(alu_sltu)alu_result <= sltu_result;else if(alu_and)alu_result <= and_result;else if(alu_nor)alu_result <= nor_result;else if(alu_or)alu_result <= or_result;else if(alu_xor)alu_result <= xor_result;else if(alu_sll)alu_result <= sll_result;else if(alu_srl)alu_result <= srl_result;else if(alu_sra)alu_result <= sra_result;else if(alu_lui)alu_result <= lui_result;end
endmodule
二 存储单元
1 静态存储器SRAM(Static Radom Access Memory)
SRAM主要用于主要用于二级快速缓存(Level2 C ache)。它利用晶体管来存储数据。与DRAM相比,SRAM的速度快,但在同样面积中SRAM的容量要比其它类型的内存小。
大部分FPGA器件採用了查找表(Look Up Table,LUT)结构。查找表的原理类似于ROM,其物理结构是静态存储器(SRAM),N个输入项的逻辑函数能够由一个2^N位容量的SRAM实现,函数值存放在SRAM中,SRAM的地址线起输入线的作用,地址即输入变量值,SRAM的输出为逻辑函数值。由连线开关实现与其它功能块的连接。
- corecells array:存储单元阵列
- decode:行列地址译码器
- Sense Amplifier:灵敏放大器
- conntrol circuit:控制电路
- FFIO:缓冲/驱动电路
在图中,A0−Am−1A_{0}-A_{m-1}A0−Am−1为地址输入端,CSBCSBCSB、 WEBWEBWEB和OEBOEBOEB为控制端,控制读写操作,为低电平有效,I/O0−I/ON−1I/O_{0}-I/O_{N-1}I/O0−I/ON−1为数据输入输出端。存储阵列中的每个存储单元都与其他单元在行和列上共享电学连接,当中水平方向的连线称为“字线”,而垂直方向的数据流入和流出存储单元的连线称为“位线”。通过输入的地址可选择特定的字线和位线。字线和位线的交叉处就是被选中的存储单元。每个存储单元都是按这个方案被唯一选中,然后再对其进行读写操作。有的存储器设计成多位数据如4位或8位等同一时候输入和输出,这种话,就会同一时候有4个或8个存储单元按上述方法被选中进行读写操作。
SRAM六管电路结构
假设准备往图的6T存储单元写入“1”,先将某一组地址值输入到行、列译码器中,选中特定的单元,然后使写使能信号WE有效,将要写入的数据“1”通过写入电路变成“1”和“0”后分别加到选中单元的两条位线BL,BLB上,此时选中单元的WL=1,晶体管N0,N5打开,把BL,BLB上的信号分别送到Q,QB点,从而使Q=1,QB=0,这样数据“1”就被锁存在晶体管P2,P3,N3,N4构成的锁存器中。写入数据“0”的过程类似。
SRAM的读过程以读“1”为例,通过译码器选中某列位线对BL,BLB进行预充电到电源电压VDD,预充电结束后,再通过行译码器选中某行,则某一存储单元被选中,由于其中存放的是“1”,则WL=1、Q=1、QB=0。晶体管N4、N5导通,有电流经N4、N5到地,从而使BLB电位下降,BL、BLB间电位产生电压差,当电压差达到一定值后打开灵敏度放大器,对电压进行放大,再送到输出电路,读出数据。
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