基于Actel FPGA的4位ALU设计方案

FPGA、ARM、DSP成为电子工程技术的市场的核心的控制器。尤其是FPGA，由于它具有处理速度高、可并行执行和高灵活性的特点，因此常被用于通信、工业控制等领域。基于ActelFpGA的4位ALU的设计方案，为学习FPGA的设计和CPU的设计提供了基础。它给大学老师和同学们提供了一个很好了解和设计CPU的机会。你想设计自己的CPU吗?只要使用我们的方案，你就可以!

本文主要介绍采用高可靠性、低成本的Actel FPGA-A3P010来实现一个4位的算术逻辑单元ALU的系统，为大家提供一种学习和设计CPU的实现方案。本方案是为了满足FPGA的教育教学需求而设计的，结合了Actel FpGA单芯片、上电即行、低成本、低功耗、高安全性和高可靠性的优点，使得该ALU的系统在教育教学中很容易实现。如果采用I／O资源数较多的A3P015，该方案可以很容易地扩展为8位总线的ALU，为设计更高性能的CPU提供了基础。想学习FPGA，就从学习基于ActelFPGA的4位ALU方案开始!

1　概述

(1)功能概述

・支持16种4位数据长度的逻辑运算操作，包括与、或、非、异或、同或等逻辑运算功能：

・支持16种4位数据长度的算术运算操作，包括加法、减法的算术运算功能：

・算术运算操作支持进位输入和进位输出的功能，并支持进位生成输出和进位传送输出的功能；

・支持逻辑运算与算术运算混合的运算操作；

・支持两操作数比较大小的功能；

・兼容74HCl81的功能：

・支持扩展功能，可以很容易地实现由4位总线扩展到8、16位总线的ALU：

・资源占用率低。可用Actel的A3P010实现4位总线的ALU，如果扩展为8位总线功能可用A3P015及以上器件实现，具体占用资源情况与实际的功能有关；

・FPGA的可编程性使得功能设计非常灵活，可以根据用户需求定制特殊功能：

・真正完美的单芯片、低成本、低功耗解决方案：

・ActelFPGAS的FlashLock加密，保护您的设计：

・Acrel FPGA的固件错误免疫使得系统可以工作于较恶劣的环境中，可靠性极高。

(2)系统框图

如图1所示。这是ALu的硬件系统框图。该ALU由六个功能模块组成。分别为逻辑运算模块、算术运算模块、进位模块、比较模块、16选1的多路选择器模块和2选1的多路选择器模块。信号端口的功能说明见表1所示。

ALU按照接口类别划分，可以把整个系统的接口分为：控制接口、数据接口。详细的接口信息，如表1所示。

(3)ALU的逻辑功能表

ALU的逻辑功能表，如表2所示。ALU在模式控制输入端mode control的控制下，可以选择逻辑运算功能或算术运算功能。当mode control为高电平1时，ALU执行4位逻辑运算操作；当mode control为低屯平0时，它执行4位算术运算操作，具体执行的操作可由功能选择输入端select_input[3：0]控制。例如，当mode_control=1，select input[3：0]=“0000”时执行的是逻辑运算function output=的操作。

2　各功能模块介绍

(1)逻辑运算功能模块

ALU的第一大功能就是可以进行逻辑运算。当ALU执行逻辑运算操作时，模式控制输入端mode control=1，输入输出端carry，JnPuh　generate output、propagate output、carry output、cmp_output不影响逻辑运算结果，operand_a[3：0]，operand_b[3：0]是两个4位输入的操作数，select_input[3：O]是选择输入控制端，function output[3：0]是4位逻辑运算结果的输出端，具体的逻辑运算时序如图2所示。

(2)算术运算功能模块

ALU的第二大功能就是可以执行算术运算。当ALU执行算术运算时，横式控制输入端mode control=O，进位输入端carry，input对算术运算的结果有影响，generate_output、propagateoutput、carry output、crop output根据运算的结果而变化，operand_a[3：0]，operand_b[3：0]是两个4位输入的操作数，select_input[3：0]是4位选择输入控制端，function_output[3：0]是4位算术运算结果的输出端。具体的时序如图3所示。

(3)比较功能模块

ALU的第三大功能就是可以执行比较大小运算功能。当ALU执行两操作数比较大小时，横式控制输入端mode control=0，进位输入端carry_input=1，选择输入端select_input[3：0]=“0110”，operand_a[3：0]、operand_b[3：0]是两个4位将要比较大小的操作数。比较大小输出端crop output与进位输出端carryoutput共同确定两操作数比较大小的结果。

3　市场应用

基于Actel FPGA实现4位ALU的解决方案，主要是为了满足FPGA的教育教学需求而设计的。本公司为了提高大学生对FPGA的学习兴趣，并改善FPGA传统教学方式，特意设计了此方案。由FPGA设计的ALu扩展的灵活性大，可以很容易地扩展为8位总线的ALu，为设计高性能的CPU提供了基础。

4　小结

本文主要介绍了基于Actel FPGA的4I~ALU系统的功能和应用。敬请关注周立功公司的网站以获得更多的信息。我们有着一个接近30人的FPGA团队提供强有力的售后服务和技术支持，解决用户在产品使用和研发过程中遇到的困难。若有更多的需求可以与我们联系，我们将会竭诚为您服务，并请关注下期的FPGA专题技术讲座。