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  • 实验一:8位可控加减法电路设计 实验二:原码一位乘法器设计 实验三:MIPS运算器设计

    实验一:8位可控加减法电路设计

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    实验二:原码一位乘法器设计

    实验三:MIPS运算器设计

     

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  • educoder第9关:原码一位乘法器设计

    千次阅读 2021-04-05 17:30:52
    学生掌握原码一位乘法运算的基本原理,熟练掌握 Logisim 寄存器电路的使用,能在 Logisim 平台中设计实现一个 8*8位的无符号数乘法。 实验内容 在 alu.circ 文件中的原码一位乘法子电路中,增加控制电路和数据...

    实验目的
    学生掌握原码一位乘法运算的基本原理,熟练掌握 Logisim 寄存器电路的使用,能在 Logisim 平台中设计实现一个 8*8位的无符号数乘法器。

    实验内容
    在 alu.circ 文件中的原码一位乘法器子电路中,增加控制电路和数据通路,使得该电路能自动完成8位无符号数的一位乘法运算。再设置引脚初始值,然后驱动时钟自动仿真,电路可自动完成运算。运算结束,结果传输到输出引脚。运算结束时,电路应该自动停止。

    电路框架
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    电路测试
    实验完成后,可利用文本编辑工具打开 alu.circ,将所有文字信息复制粘贴到 Educoder 平台的 alu.circ 文件中,再点击评测按钮即可进行本关测试。平台会对你设计的电路进行自动测试,为方便测试,请勿修改子电路封装,本关测试用例如下:
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  • 【摘要】基于计算机组成原理课程实践环节的建设,以提高学生实践技能为目的,总结教学经验,应用数字电路设计方法与技巧,考虑可行性,设计一种定点原码一位乘法器的实现方案,包含初始化数据,启动、停止运算,显示...

    【摘要】基于计算机组成原理课程实践环节的建设,以提高学生实践技能为目的,总结教学经验,应用数字电路设计方法与技巧,考虑可行性,设计一种定点原码一位乘法器的实现方案,包含初始化数据,启动、停止运算,显示运算过程等功能,用以指导教学实践。

    关键词乘法器、定点原码一位乘法、计算机组成原理、计算机组成与结构

    一、引言

    在计算机组成原理知识教学过程中,关于二进制乘法运算是一个较难理解的环节,其中又以“定点原码一位乘法算法”是最基础的,针对这一算法设计实验方案,为学员提供实践环境,对深入理解这一问题、以及进一步的学习其他乘法乃至除法算法都十分重要。

    二、定点原码一位乘法算法

    两个原码数相乘,其乘积的符号为相乘两数符号的异或值,数值则为两数绝对值之积。例如:

    [X]=X0X1X2…XnX0为符号

    [Y]=Y0Y1Y2…YnY0为符号

    [X·Y]=X0⊕Y0|X1X2…Xn·Y1Y2…Yn),符号“|”表示把符号和数值邻接起来。

    在计算时,符号位和数值位分别进行计算。对于数值位,逐次按乘数每一位(从低位到高位)上的值是1还是0,决定一个相加数或者是被乘数或者是0,并向左偏移一位去加上次计算得到的和(它又被称为部分积,其初值为0),如此进行乘数位数次,最终得到乘积。在此需要注意的是:“相加数向左偏移一位后求和”和“上次计算得到的和向右偏移一位后求和”两种求和的方法是等效的,设计乘法器时采用后一种方法,其目的是寻求部份积与乘数移位方向的一致性。

    例如X的值为1101Y的数值为1011,求X·Y数值的过程如下:http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014047167.JPG

    三、定点原码一位乘法器的逻辑结构

    根据以上算法,设计定点原码一位乘法器的逻辑结构如下图所示:http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014204349.JPG

    其中n位寄存器S1n称为部分积寄存器,初值为0,计算结束时寄存乘积高位;一位寄存器S0用以寄存乘积符号;n+1位寄存器Y0n称为被乘数寄存器;n位寄存器X1n称为乘数寄存器,初值为乘数,计算结束时寄存乘积低位;一位寄存器X0用以寄存乘数符号。

    控制信号Scr用于S1n清零,低电平有效;Scp用于S1n的触发,上升沿有效;S0cp用于S0的触发,上升沿有效,X0cp用于X0的触发,上升沿有效,并且乘法器运行时,要求先产生X0cp,然后再产生S0cp,所以这两个信号正好应用一个正脉冲的两个边沿;Xcp用于X1n的触发,上升沿有效;Ycp用于Y0n的触发,上升沿有效;Isc用于控制X1n是选择开关组值作输入还是选择移位的部分积作输入。

    另外,寄存器X1n的最低位Xn采用“与”运算用于控制输入加法器一端的是被乘数还是0,所以为了防止发生不可预期的连加,ScpXcp必须是单稳态边沿触发信号。

    应用该电路实现定点原码一位乘法的计算过程如下:

    1)         利用n+1位开关组使用Ycp初始化被乘数寄存器Y0n为被乘数Y

    2)         利用n+1位开关组使用X0cpXcp始化乘数寄存器X0X1n为乘数X

    3)         使用S0cpS0保存结果符号。

    4)         使用Scr把部分积寄存器S1n清零。

    5)         同时发送ScpXcp信号n次后得到计算结果。

    6)         停止。

    开关组K0…KnLED组伴随计算的进行分别用以输入被乘数、乘数以及显示部分积的变化情况以及最终结果。

    四、定点原码一位乘法器的控制电路

    由于以上乘法器电路较复杂,使用过程中所需控制信号较多,操作控制较麻烦的特点,另外设计专门的控制电路为进一步验证其功能带来方便,同时也使这一设计方案自成体系,构成一个完整的应用系统。http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014306849.JPG

    该控制电路的输出自然是乘法器所需控制信号YcpXcpS0cpX0cpScpScrIsc,考虑到这些控制信号具体应用的时态有所不同,并且有的是边沿有效,有的是电平有效,所以设计单稳态触发按钮B和开关组Kc1Kc2Kc3作为控制电路的输入,开关组的不同组合值可以标识计算过程进行的步骤。据此就可以得到如下控制电路的输入与输出信号的真值表。http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014334305.JPG

    以上真值表第二步“初始化乘数”的同时,也初始化了部分积,这时部分积寄存器S1n虽然会变成不可预期的结果,但是因其无关性并不至于导致错误。因为第四步“清部分积寄存器”又使它改变为正确的初始化值。

    根据以上真值表反映的逻辑关系得到控制电路的如下逻辑电路图:

    在该控制电路中,三八译码器使用Kc1Kc2Kc3作由高到低的三路输入,输出信号 正好用以标识计算过程中的前五个步骤,而当Kc1输入高电平时,不论Kc2Kc3为何值, 都会失效,自然会使乘法器陷入停止态。

    另外,判n电路会因为计数器出现n值产生低电平,一方面禁止产生计算时的寄存器移位触发信号ScpXcp,从而停止计算;另一方面又禁止“加1计数器”继续计数,使乘法器可靠的停在结果保持态。

    五、定点原码一位乘法器的物理实现

    根据定点原码一位乘法器的逻辑结构和控制电路,可以选择目前电子市场上常见的74LS18174LS27374LS7474LS16174LS0474LS3774LS5174LS138等集成电路芯片,绘制物理布线图,并借助数字电路实验仪器或面包板连接实验电路,成功地进行4位、8位、12位、……定点原码一位乘法器的功能验证。

    六、总结

    以上遵循分析、设计、实现的思路,环环相扣地设计了一种定点原码一位乘法器的实现方案,包含了完善的功能,且自成体系,特别是其中关于无关项或无关操作应用、单稳态触发应用、结果保持、运算停止等实现细节上的方法、技巧的描述,对于指导学习或者改进算法开发更高性能的乘法器和其他相关器件都具有积极的指导意义。

    此文发表于:<<电脑知识与技术>>(学术交流) 2007年08期

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  • 【摘要】基于计算机组成原理课程实践环节的建设,以提高学生实践技能为目的,总结教学经验,应用数字电路设计方法与技巧,考虑可行性,设计一种定点原码一位乘法器的实现方案,包含初始化数据,启动、停止运算,显示...

    一种定点原码一位乘法器的设计与实现

    正文 

    【摘要】基于计算机组成原理课程实践环节的建设,以提高学生实践技能为目的,总结教学经验,应用数字电路设计方法与技巧,考虑可行性,设计一种定点原码一位乘法器的实现方案,包含初始化数据,启动、停止运算,显示运算过程等功能,用以指导教学实践。

    关键词】乘法器、定点原码一位乘法、计算机组成原理、计算机组成与结构

    一、引言

    在计算机组成原理知识教学过程中,关于二进制乘法运算是一个较难理解的环节,其中又以“定点原码一位乘法算法”是最基础的,针对这一算法设计实验方案,为学员提供实践环境,对深入理解这一问题、以及进一步的学习其他乘法乃至除法算法都十分重要。

    二、定点原码一位乘法算法

    两个原码数相乘,其乘积的符号为相乘两数符号的异或值,数值则为两数绝对值之积。例如:

    [X]=X0X1X2…XnX0为符号

    [Y]=Y0Y1Y2…YnY0为符号

    [X·Y]=X0⊕Y0|X1X2…Xn·Y1Y2…Yn),符号“|”表示把符号和数值邻接起来。

    在计算时,符号位和数值位分别进行计算。对于数值位,逐次按乘数每一位(从低位到高位)上的值是1还是0,决定一个相加数或者是被乘数或者是0,并向左偏移一位去加上次计算得到的和(它又被称为部分积,其初值为0),如此进行乘数位数次,最终得到乘积。在此需要注意的是:“相加数向左偏移一位后求和”和“上次计算得到的和向右偏移一位后求和”两种求和的方法是等效的,设计乘法器时采用后一种方法,其目的是寻求部份积与乘数移位方向的一致性。

    例如X的值为1101Y的数值为1011,求X·Y数值的过程如下:http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014047167.JPG

     

    三、定点原码一位乘法器的逻辑结构

    根据以上算法,设计定点原码一位乘法器的逻辑结构如下图所示:http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014204349.JPG

     

    其中n位寄存器S1n称为部分积寄存器,初值为0,计算结束时寄存乘积高位;一位寄存器S0用以寄存乘积符号;n+1位寄存器Y0n称为被乘数寄存器;n位寄存器X1n称为乘数寄存器,初值为乘数,计算结束时寄存乘积低位;一位寄存器X0用以寄存乘数符号。

    控制信号Scr用于S1n清零,低电平有效;Scp用于S1n的触发,上升沿有效;S0cp用于S0的触发,上升沿有效,X0cp用于X0的触发,上升沿有效,并且乘法器运行时,要求先产生X0cp,然后再产生S0cp,所以这两个信号正好应用一个正脉冲的两个边沿;Xcp用于X1n的触发,上升沿有效;Ycp用于Y0n的触发,上升沿有效;Isc用于控制X1n是选择开关组值作输入还是选择移位的部分积作输入。

    另外,寄存器X1n的最低位Xn采用“与”运算用于控制输入加法器一端的是被乘数还是0,所以为了防止发生不可预期的连加,ScpXcp必须是单稳态边沿触发信号。

    应用该电路实现定点原码一位乘法的计算过程如下:

    1)         利用n+1位开关组使用Ycp初始化被乘数寄存器Y0n为被乘数Y

    2)         利用n+1位开关组使用X0cpXcp始化乘数寄存器X0X1n为乘数X

    3)         使用S0cpS0保存结果符号。

    4)         使用Scr把部分积寄存器S1n清零。

    5)         同时发送ScpXcp信号n次后得到计算结果。

    6)         停止。

    开关组K0…KnLED组伴随计算的进行分别用以输入被乘数、乘数以及显示部分积的变化情况以及最终结果。

    四、定点原码一位乘法器的控制电路

    由于以上乘法器电路较复杂,使用过程中所需控制信号较多,操作控制较麻烦的特点,另外设计专门的控制电路为进一步验证其功能带来方便,同时也使这一设计方案自成体系,构成一个完整的应用系统。http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014306849.JPG

    该控制电路的输出自然是乘法器所需控制信号YcpXcpS0cpX0cpScpScrIsc,考虑到这些控制信号具体应用的时态有所不同,并且有的是边沿有效,有的是电平有效,所以设计单稳态触发按钮B和开关组Kc1Kc2Kc3作为控制电路的输入,开关组的不同组合值可以标识计算过程进行的步骤。据此就可以得到如下控制电路的输入与输出信号的真值表。http://download1.csdn.net/down3/20070610/10014334305.JPG

     

    以上真值表第二步“初始化乘数”的同时,也初始化了部分积,这时部分积寄存器S1n虽然会变成不可预期的结果,但是因其无关性并不至于导致错误。因为第四步“清部分积寄存器”又使它改变为正确的初始化值。

    根据以上真值表反映的逻辑关系得到控制电路的如下逻辑电路图:

     

    在该控制电路中,三八译码器使用Kc1Kc2Kc3作由高到低的三路输入,输出信号正好用以标识计算过程中的前五个步骤,而当Kc1输入高电平时,不论Kc2Kc3为何值,都会失效,自然会使乘法器陷入停止态。

    另外,判n电路会因为计数器出现n值产生低电平,一方面禁止产生计算时的寄存器移位触发信号ScpXcp,从而停止计算;另一方面又禁止“加1计数器”继续计数,使乘法器可靠的停在结果保持态。

    五、定点原码一位乘法器的物理实现

    根据定点原码一位乘法器的逻辑结构和控制电路,可以选择目前电子市场上常见的74LS18174LS27374LS7474LS16174LS0474LS3774LS5174LS138等集成电路芯片,绘制物理布线图,并借助数字电路实验仪器或面包板连接实验电路,成功地进行4位、8位、12位、……定点原码一位乘法器的功能验证。

    六、总结

    以上遵循分析、设计、实现的思路,环环相扣地设计了一种定点原码一位乘法器的实现方案,包含了完善的功能,且自成体系,特别是其中关于无关项或无关操作应用、单稳态触发应用、结果保持、运算停止等实现细节上的方法、技巧的描述,对于指导学习或者改进算法开发更高性能的乘法器和其他相关器件都具有积极的指导意义。

    转载于:https://www.cnblogs.com/tureno/articles/2253832.html

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  • logisim运算器设计逻辑图

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  • 2运算器设计实验.rar

    2021-03-20 16:45:09
    运算器设计实验,可以在logisim平台上运行,将cicr代码复制到EduCoder可以直接通过,华中科技大学谭志虎。...学生还可以设计阵列乘法器,乘法流水线,实现原码一位乘法器,补码一位乘法器、运算器等教材上的核心内容。
  • Logisim运算器实验文件,包含8位可控加减法器、32位快速加法器、6位补码阵列乘法器、原码一位乘法器、补码一位乘法器、算术逻辑运算单元ALU
  • 代码包含: 8位可控加减法电路设计 CLA182四位先行进位电路设计 4/16/32位快速加法器设计 5位无符号阵列乘法器设计 6位有符号补码阵列乘法器 ...原码一位乘法器设计 补码一位乘法器设计 MIPS运算器设计
  • alu.circ文件。文件内容包括4位先行进位、4位快速加法、8位可控加减法、32位快速加法、32位快速加法、32位ALU、原码一位乘法器
  • 以下十一关,自测100分通过—— 第1关:8位可控加减法电路设计 第2关:CLA182四位先行进位电路设计 第3关:4位快速加法器设计 ...第9关:原码一位乘法器设计 第10关:补码一位乘法器设计 第11关:MIPS运算器设计
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  • Booth乘法器设计

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  • 乘法器

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空空如也

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原码一位乘法运算器设计