ALU computing unit

Popis

4-bitová aritmeticko-logická jednotka se dvěma vstupy A a B a výstupem Y s přenosem C. Jednotka může provádět 16 různých operací (viz tabulka).

Jednotce lze ručně nastavit vstupní příznak carry, který je u některých operací použit. Výsledná data (včetně vstupů) jsou zobrazena na šestnácti LED diodách a také na čtyřmístném sedmisegmentovém displeji. Všechny vstupní hodnoty se nastavují pomocí přepínačů, které jsou umístěny na externí rozšiřující desce společně s LED diodami.

Vývoj probíhal na vývojových deskách CoolRunner-II (CLPD) a Zybo (FPGA). Obě desky jsou od firmy Digilent. Program běží na obou deskách nezávisle, pouze na desce Zybo je nutné snížit vstupní hodinový kmitočet (na 10 kHz) a invertovat výstupy (carry, carry_in, parity).

CoolRunner-II Starter Board [1]

Zybo Zynq-7000 ARM/FPGA SoC Trainer Board [2]

Rozšiřující deska s tlačítky, přepínači a LED diodami

Zadání

ALU jednotka s vlastní sadou početních/logických/binárních operací, viz např. 74181

Zapojení

Zapojení ALU jednotky s deskou Zybo

Schéma externího hardware připojeného k desce Zybo. Vlevo displej, vpravo LED diody a přepínače.

Řídící signály ALU

Řídící signál	Funkce	Popis
0x0	Y = A + B	Součet
0x1	Y = A - B	Rozdíl
0x2	Y = A + 1	Inkrementace
0x3	Y = A - 1	Dekrementace
0x4	Y = A + B + C	Součet s přenosem
0x5	Y = A - B - C	Rozdíl s přenosem
0x6	Y = A or B	Logický součet
0x7	Y = A and B	Logický součin
0x8	Y = A xor B	Exkluzivní logický součet
0x9	Y = not A	Logická negace
0xA	Y = A >> 1	Rotace vpravo
0xB	Y = A << 1	Rotace vlevo
0xC	Y = (A + C) >> 1	Rotace vpravo s přenosem
0xD	Y = (A - C) << 1	Rotace vlevo s přenosem
0xE	Y = A'H <=> A'L	Přehození nejvyššího a nejnižšího čtvrbytu
0xF	Y = A mul B	Součin

Funkční bloky

Sčítačka		Numericky sečte hodnoty na vstupech A, B a výsledek uloží do Y. Příznak přenosu je uložen do C. Vstupní příznak přenosu C je ignorován.
Odčítačka		Numericky odečte hodnotu na vstupu B od vstupu A a výsledek uloží do Y. Příznak přenosu je uložen do C. Vstupní příznak přenosu C je ignorován.
Inkrementace		Numericky inkrementuje hodnotu na vstupu A o jedničku. Příznak přenosu je uložen do C. Vstupní příznak přenosu C je ignorován.
Dekrementace		Numericky dekrementuje hodnotu na vstupu A o jedničku. Příznak přenosu je uložen do C. Vstupní příznak přenosu C je ignorován.
Sčítačka s přenosem		Numericky sečte hodnoty na vstupech A, B a výsledek uloží do Y. Příznak přenosu je uložen do C. Vstupní příznak přenosu C je přičten k výsledku Y.
Odčítačka s přenosem		Numericky odečte hodnotu na vstupu B od vstupu A a výsledek uloží do Y. Příznak přenosu je uložen do C. Vstupní příznak přenosu C je odečten od výsledku Y.
Logický součet		Provede logický součet hodnot na vstupu A a B. Výsledek uloží do Y.
Logický součin		Provede logický součin hodnot na vstupu A a B. Výsledek uloží do Y
Exkluzivní logický součet		Provede logický exkluzivní součet hodnot na vstupu A a B. Výsledek uloží do Y.
Logická negace		Provede logickou negaci hodnoty na vstupu A. Výsledek uloží do Y.
Rotace vpravo		Provede rotaci hodnoty na vstupu A o jeden bit vpravo. Výsledek uloží do Y. Nejnižší bit je uložen do C. Vstupní příznak C je ignorován.
Rotace vlevo		Provede rotaci hodnoty na vstupu A o jeden bit vlevo. Výsledek uloží do Y. Nejvyšší bit je uložen do C. Vstupní příznak C je ignorován.
Rotace vpravo s přenosem		Provede rotaci hodnoty na vstupu A o jeden bit vpravo. Výsledek uloží do Y. Nejnižší bit je uložen do C. Vstupní příznak C je uložen na nejvyšší pozici.
Rotace vlevo s přenosem		Provede rotaci hodnoty na vstupu A o jeden bit vlevo. Výsledek uloží do Y. Nejvyšší bit je uložen do C. Vstupní příznak C je uložen na nejnižší pozici.
Přehození bitů		Provede vzájemné přehození bitů na vstupu A. Výsledek uloží do Y. Shodné s rotací vpravo nebo vlevo o dva bity.
Násobička		Numericky vynásobí hodnotu na vstupu A s hodnotou na vstupu B. Výsledek uloží do Y. Příznak C signalizuje, že výsledek obsahuje numerickou hodnotu vyšší než 15. Na výstup Y jsou přivedeny vždy 4 nejnižší bity.
Parita výsledku		Signalizuje lichý počet jedniček ve výsledku.
Jednotka ovládání displeje		Řídí čtyřmístný sedmi-segmentový displej se společnou anodou. Segmenty displeje jsou aktivní v nule. Frekvence signálu clk musí být nejméně 10 kHz.
Výsledná ALU jednotka		Celkové vstupy a výstupy jednotky. Vstupy number_a a number_b slouží k nastavení čísel se kterými se budou provádět operace. Vstupem control_sig se nastavuje operace, kterou chceme provádět. Hodnoty se nastavují pomocí přepínačů. Výstupy number_a, number_b, control_sig a alu_result slouží k binární reprezentaci hodnot, použity jsou LED diody. Výstupy disp_digit a disp_sseg slouží k dekadickému zobrazení hodnot na 7segmentovém displeji.