实验三 运算器数据通路 理解运算器数据通路的组成结构； 熟悉ALU、移位寄存器、通用寄存器组的功能和设计方法； 掌握运算器的工作原理和信息传递的控制过程； 掌握双倍字长加减运算的方法； 实验指导：赵蕙

1 打开浏览器 2 点击more>>，进入实验指导

2 下载实验三文件到E或F盘 1 下载工程模板到E盘或F盘

下载的文件解压缩后 下载的压缩文件

1 工程模板文件夹包含下列文件： 2 实验三文件夹包含下列文件： 实验板与调试软件虚拟实验板信息传递的扫描电路源文件 工程文件 工程配置文件 工程默认设置文件 工程顶层文件 数码管七段译码源文件 2 实验三文件夹包含下列文件： 运算器verilog源文件 通用寄存器组verilog源文件 实验电路顶层verilog源文件 虚拟面板构图文件 暂存器A的verilog源文件 移位寄存器verilog源文件

双击工程文件，直接在QuartusII中打开工程 工程模板文件夹 2 双击工程文件，直接在QuartusII中打开工程 1 将实验三相关文件全部复制到工程文件夹中

编译工程

工程编译成功

打开树状结构，根据需要选择源文件进行阅读，将实验报告册程序清单补充完整。 1 打开树状结构，根据需要选择源文件进行阅读，将实验报告册程序清单补充完整。 比实验3.2扩充了逻辑运算，共10种算术逻辑运算 运算控制信号由ALU＿OP编码生成

2 工程下载

如果实验板电源没有打开，会出现NO hardware提示，打开开发板电源，点击Hardware Setup选择下载电缆。 电源按钮

1 在下拉列表中选择USB-Blaster 或者在此处双击USB-Blaster 2 单击close确定

下载成功 单击start

现在，“运算器数据通路”实验电路已经下载到实验板的FPGA，接下来的任务是验证电路功能。

1 双击桌面JuLab图标，打开实验调试软件 2 选择逻辑部件实验

虚拟实验板中的绿色发光二极管、红色发光二极管、开关、数码管、按键与实际开发板上资源对应。 9个绿色发光管 18个红色发光管 开关 按键 数码管

使用能够更直观地反映输入输出与实验电路关系的虚拟面板构图，来验证实验电路功能。

1 选择lab3.vpl虚拟面板构图文件 2

时钟使能信号是寄存器能够装入数据的条件，所以实验时注意： 从实验3.1同学们知道，同一时刻，只有一个器件可以向总线输出数据，所以实验时注意： DATAoe Soe GRSoe 同一时刻最多只有一个为1 与实验3.1移位寄存器稍有不同： ST_OP＝11　　装入数据 ST_OP＝01　　右移 ST_OP＝10　　左移 ST_OP＝00　　数据保持不变 KEY0按钮提供Reset信号，可复位暂存器A和标志寄存器PSW。 虚拟控件根据需要放置在原理图的各个信号位置，方便在做功能验证时进行输入与观察。 接下来，操作实验调试软件、按要求完成实验报告册。 时钟使能信号是寄存器能够装入数据的条件，所以实验时注意： Ace=1,并且有时钟上升沿，A置数 PSWce=1,并且有时钟上升沿，PSW置数 GRSce=1,并且有时钟上升沿，GRS[index]置数 KEY1按钮提供CLK信号，是暂存器A、标志寄存器PSW、移位寄存器SHIFTE、通用寄存器组GRS的时钟输入。

1 #1001送给R1，在一个时钟作用下可以完成： 数据开关置为1001，打开DATA向总线输出的三态门使能（DATAoe=1），可以观察到BUS显示1001(9)；GRS的输入来自BUS总线，使用INDEX指示寄存器号(INDEX＝01)，打开时钟使能信号GRSce=1,点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到GRS_Q显示1001(9)。 #1100送给R2，同样在一个时钟作用下可以完成： 数据开关置为1100，打开DATA向总线输出的三态门使能（DATAoe=1），可以观察到BUS显示1100(C)；GRS的输入来自BUS总线，使用INDEX指示寄存器号(INDEX＝10)，打开时钟使能信号GRSce=1,点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到GRS_Q显示1100(C)。

GRS_Q直接反映GRS[INDEX]的值，所以设置INDEX，可以观察到各个寄存器的值。 INDEX=00 R0 INDEX=01 R1 INDEX=10 R2 INDEX=11 R3 INDEX=01，观察确认GRS_Q为9（1001） INDEX=10，观察确认GRS_Q为C（1100） 表格2、表格3、表格4沿用表格1完成后的R1和R2的值，所以在进行后续表格操作前，可先确认R1和R2的值，如果发生改变，重新执行表格1，重置R1和R2寄存器的值

2 每一步骤中不使用（即可为任意值）的控制信号可以全部设置成0，减少操作过程中出错的可能，推荐这么做，不是必须。 第一个时钟完成：R1送BUS，A装入数据（被加数送dst） 使用INDEX指示寄存器号(INDEX＝01)，打开输出使能信号GRSoe=1,可以观察到BUS显示1001(9)；打开暂存器A的时钟使能信号Ace=1；点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到A输出端(dst)显示1001(9)，完成。 第二个时钟完成：R2送BUS（即加数送src），ALU执行加法运算，移位寄存器保存加法结果，PSW寄存器保护结果的标志 使用INDEX指示寄存器号(INDEX＝10)，打开输出使能信号GRSoe=1,可以观察到BUS显示1100(C)；运算器执行加法（ALU_OP=0001），此时可以观察到ALU输出端F结果显示为0101(5)；打开标志寄存器PSW的时钟使能信号PSWce=1；移位寄存器控制信号设置为装入数据（ST_OP=11）；点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到移位寄存器输出端S_Q显示0101(5)，标志寄存器输出端显示0011。 第三个时钟完成：Shifter送BUS，R3装入数据 打开移位寄存器输出使能(Soe=1)，可以观察到BUS上显示0101(5)； 使用INDEX指示寄存器号(INDEX＝11)，打开时钟使能信号GRSce=1；点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到GRS_Q显示0101(5)。

3 因此仍然需要三步（三个时钟）完成目标 第一个时钟完成：R1送BUS，A装入数据 使用INDEX指示寄存器号(INDEX＝01)，打开输出使能信号GRSoe=1,可以观察到BUS显示1001(9)；打开暂存器A的时钟使能信号Ace=1；点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到A输出端(dst)显示1001(9)，完成。 第二个时钟完成：ALU执行数据值送，移位寄存器保存ALU的输出F 运算器执行数据值送F=A（ALU_OP=0000），此时可以观察到ALU输出端F结果显示为1010(9)；移位寄存器控制信号设置为装入数据（ST_OP=11）；点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到移位寄存器输出端S_Q显示1001(9)。 第三个时钟完成：Shifter送BUS，R3装入数据 打开移位寄存器输出使能（Soe=1），可以观察到BUS上显示1001(9)； 使用INDEX指示寄存器号(INDEX＝11)，打开时钟使能信号GRSce=1；点击KEY1产生CLK时钟，可以观察到GRS_Q显示1001(9)。

4 同样需要三个时钟完成： 与上一个表格的区别仅在于SHIFTER这次要实现的操作是右移（除2）

5 用ADD指令完成低四位相加 用ADDC指令完成高四位相加 X=0001 1010 相加 Y=1000 0111 1 010 + 0111 1 010 + 0111 1 0001 0001 + 1000 + 　　 1 　　 0 1010 高四位相加时要考虑低四位相加产生的CF，所以使用ADDC指令

1 2 3 4 5 6 完成低四位加法，结果保存在R2寄存器 完成高四位加法，结果保存在R3寄存器 Y的低四位送R0 操作过程不记录报告册中

同学们实验结束后，请将电脑和实验板电源关闭，将桌面整理干净，凳子放好，上交实验报告册后，再离开实验室。 6 同学们实验结束后，请将电脑和实验板电源关闭，将桌面整理干净，凳子放好，上交实验报告册后，再离开实验室。