19020011038-岳宇轩-实验31

在本实验报告中，主题是关于ALU（算术逻辑单元）的设计与操作，由岳宇轩同学完成，属于计算机组成原理课程的一部分。ALU是计算机硬件中的核心组件，负责执行基本的算术和逻辑运算。以下是根据实验描述和部分内容所涉及的知识点详细解释： 1. **ALU 控制器**： - ALU 控制器通过输入的控制信号（alu_control）来决定执行何种操作。在减法操作中，控制信号为0100 0000 0000B，这表明ALU被配置为进行减法运算。 - 在有符号比较操作中，alu控制器值为001，虽然没有给出完整的控制信号，但可以推测这个简单的设置可能是用于设置特定的标志位，例如比较结果小于时设置的标志。 2. **ALU 操作**： - ALU 可以执行12种不同的操作，包括： - 加法（alu_add） - 减法（alu_sub） - 有符号比较（alu_slt），当第一个操作数小于第二个时置位 - 无符号比较（alu_sltu），当第一个操作数无符号表示下小于第二个时置位 - 按位与（alu_and） - 按位或非（alu_nor） - 按位或（alu_or） - 按位异或（alu_xor） - 逻辑左移（alu_sll） - 逻辑右移（alu_srl） - 算数右移（alu_sra） - 高位加载（alu_lui） 3. **VHDL 语言**： - 实验使用了VHDL语言来描述ALU模块，这是一种硬件描述语言，用于设计数字系统的逻辑行为。 - `alu.v` 文件中的代码展示了如何定义输入、输出以及内部连线，并通过`assign`语句来分配控制信号和计算结果。 4. **减法实现**： - 减法通常通过补码加法来实现，即通过将减数取反加1，然后与被减数相加得到结果。在本实验中，减法操作由`alu_sub`控制，加法结果存储在`add_sub_result`中。 5. **比较操作**： - 有符号和无符号比较通过设置特定的标志位来实现。在ALU中，`alu_slt`和`alu_sltu`分别用于比较两个操作数的带符号和无符号值，当满足条件时置位。 6. **其他运算**： - 其他逻辑运算如按位与、或、异或、或非等通过逻辑运算符执行，例如`&`、`|`、`~`和`^`。 - 左移（alu_sll）和右移（alu_srl、alu_sra）操作改变操作数的位模式。逻辑右移和算数右移的区别在于处理符号位：逻辑右移忽略符号位，而算数右移保留符号位。 7. **临时变量的使用**： - `temp_src1`是一个带符号的临时变量，用于对`alu_src1`进行算数右移操作，这确保了在进行位移时考虑数据的符号位。 8. **寄存器和线路**： - 在VHDL代码中，`alu_result`是一个32位的寄存器，用来存储ALU运算的结果。 - 其他中间结果如`add_sub_result`、`slt_result`等则是用来暂存特定操作的结果。 总结来说，这个实验涵盖了ALU的基本功能实现，包括算术运算、逻辑运算以及比较操作，通过VHDL语言来描述和实现这些功能。理解和掌握ALU的工作原理对于理解计算机底层操作至关重要，因为它构成了处理器的核心部分。