8位ALU(算术逻辑单元)verilog语言

大连理工大学城市学院 FPGA实验报告

实验内容：8位ALU

系别班级：电子1004班

学号：

姓名：

日期：2013.4.14

一．设计概述：

一种基于可编程逻辑器件FPGA和硬件描述语言的8位的ALU的设计方法。该ALU采用层次设计方法，有寄存器模块、控制模块和显示模块组成，能实现8位无符号数的取值、加减和4种逻辑运算（与、或、异或、同或）。该ALU在QuartusII软件环境下进行功能仿真，通过DE2验证。

二． 设计功能：

1、该处理器的数据宽度为8bit，可以实现算术加法、减法、逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非、逻辑或非和逻辑异或等8种运算。

2、用选择端opcode [2:0] 选择8种运算，2个操作数分别是a_r [7:0]和b_r[7:0]，运算结果是alu_out[7:0]；并定义选择如下。

3、使用DE2板上的3个拨码开关设置当前ALU的运算功能，再由8个拨码开关给定数据A和数据B，由一个按键key手动提供脉冲。

三． 设计方案：

本设计共有5个模块。

1）脉冲输出器（key手动脉冲），计数依次产生4个脉冲到各个部件，第一个脉冲启动信号。

2）寄存器A，第二个脉冲来时锁存数据A，并在数码管上显示。 3）寄存器B，第三个脉冲来时锁存数据B，并在数码管上显示。 4）8位ALU，第四个脉冲来时进行运算，并锁存结果alu_out。 5）结果显示器，将结果显示通过DE2上的数码管显示。

四． 程序分析：

主程序模块:

module alu8(clk,clk_r,rst,a,b,alu_out,opcode,sw_ab,HEX1, HEX0, HEX7, HEX6, HEX5, HEX4);

input clk,rst,clk_r; input [7:0] sw_ab; input [2:0] opcode;

output [6:0] HEX1, HEX0, HEX7, HEX6, HEX5, HEX4;

output [7:0] a;

output [7:0] b;

output [7:0] alu_out;

rega U1(.clk(clk),.rst(rst),.sw_ab(sw_ab),.a_r(a),.clk_r(clk_r),.HEX7(HEX7),. HEX6(HEX6));

regb U2(.clk(clk),.rst(rst),.sw_ab(sw_ab),.b_r(b),.clk_r(clk_r),.HEX5(HEX5),. HEX4(HEX4));

alur U3(.clk(clk),.rst(rst),.a_r(a),.b_r(b),.alu_out(alu_out),.opcode(opcode)); digital U4(.clk_r(clk_r),.rst(rst),.alu_out(alu_out),.HEX1(HEX1),. HEX0(HEX0)); endmodule

第一位数A模块：

module rega (clk,clk_r,rst,sw_ab,a_r,HEX7,HEX6);

input [7:0] sw_ab;

input clk,clk_r,rst;

output [7:0] a_r;

reg [7:0] a_r;

output reg[6:0] HEX7,HEX6;

reg [3:0] cnt;

always @(posedge clk or negedge rst)

if(!rst) cnt<=1'd0;

else if(cnt==5) cnt<=1'd0;

else cnt<=cnt+1'd1;

always @(posedge clk or negedge rst)

if(!rst) a_r=0;

else if(cnt==1) a_r=sw_ab;

else a_r=a_r;

parameter seg0=7'b1000000,

seg1=7'b1111001,seg2=7'b0100100,seg3=7'b0110000,seg4=7'b0011001,seg5=7'b0010010,seg6=7'b0000010,

seg7=7'b1111000,seg8=7'b0000000,seg9=7'b0010000,sega=7'b0001000,segb=7'b0000011,segc=7'b1000110,

segd=7'b0100001,sege=7'b0000110,segf=7'b0001110;

always @(posedge clk_r)

case(a_r[3:0])

4'h0: HEX6[6:0]=seg0;

4'h1: HEX6[6:0]=seg1;

4'h2: HEX6[6:0]=seg2;

4'h3: HEX6[6:0]=seg3;

4'h4: HEX6[6:0]=seg4;

4'h5: HEX6[6:0]=seg5;

4'h6: HEX6[6:0]=seg6;

4'h7: HEX6[6:0]=seg7;

4'h8: HEX6[6:0]=seg8;

4'h9: HEX6[6:0]=seg9;

4'ha: HEX6[6:0]=sega;

4'hb: HEX6[6:0]=segb;

4'hc: HEX6[6:0]=segc;

4'hd: HEX6[6:0]=segd;

4'he: HEX6[6:0]=sege;

4'hf: HEX6[6:0]=segf;

default:HEX6[6:0]=seg0;

endcase

always @(posedge clk_r)

case(a_r[7:4])

4'h0: HEX7[6:0]=seg0;

4'h1: HEX7[6:0]=seg1;

4'h2: HEX7[6:0]=seg2;

4'h3: HEX7[6:0]=seg3;

4'h4: HEX7[6:0]=seg4;

4'h5: HEX7[6:0]=seg5;

4'h6: HEX7[6:0]=seg6;

4'h7: HEX7[6:0]=seg7;

4'h8: HEX7[6:0]=seg8;

4'h9: HEX7[6:0]=seg9;

4'ha: HEX7[6:0]=sega;

4'hb: HEX7[6:0]=segb;

4'hc: HEX7[6:0]=segc;

4'hd: HEX7[6:0]=segd;

4'he: HEX7[6:0]=sege;

4'hf: HEX7[6:0]=segf;

default:HEX7[6:0]=seg0;

endcase

endmodule

第二位数B模块：

module regb (clk,clk_r,rst,sw_ab,b_r,HEX5,HEX4); input [7:0] sw_ab;

input clk,clk_r,rst;

output [7:0] b_r;

reg [7:0] b_r;

output reg[6:0] HEX5,HEX4;

reg [3:0] cnt;

always @(posedge clk or negedge rst)

if(!rst) cnt<=1'd0;

else if(cnt==5) cnt<=1'd0;

else cnt<=cnt+1'd1;

always @(posedge clk or negedge rst)

if(!rst) b_r=0;

else if(cnt==2) b_r=sw_ab;

else b_r=b_r;

parameter seg0=7'b1000000,

seg1=7'b1111001,

seg2=7'b0100100,seg3=7'b0110000,seg4=7'b0011001,seg5=7'b0010010,seg6=7'b0000010,

seg7=7'b1111000,seg8=7'b0000000,seg9=7'b0010000,sega=7'b0001000,segb=7'b0000011,segc=7'b1000110,

segd=7'b0100001,sege=7'b0000110,segf=7'b0001110;

always @(posedge clk_r)

case(b_r[3:0])

4'h0: HEX4[6:0]=seg0;

4'h1: HEX4[6:0]=seg1;

4'h2: HEX4[6:0]=seg2;

4'h3: HEX4[6:0]=seg3;

4'h4: HEX4[6:0]=seg4;

4'h5: HEX4[6:0]=seg5;

4'h6: HEX4[6:0]=seg6;

4'h7: HEX4[6:0]=seg7;

4'h8: HEX4[6:0]=seg8;

4'h9: HEX4[6:0]=seg9;

4'ha: HEX4[6:0]=sega;

4'hb: HEX4[6:0]=segb;

4'hc: HEX4[6:0]=segc;

4'hd: HEX4[6:0]=segd;

4'he: HEX4[6:0]=sege;

4'hf: HEX4[6:0]=segf;

default:HEX4[6:0]=seg0;

endcase

always @(posedge clk_r)

case(b_r[7:4])

4'h0: HEX5[6:0]=seg0;

4'h1: HEX5[6:0]=seg1;

4'h2: HEX5[6:0]=seg2;

4'h3: HEX5[6:0]=seg3;

4'h4: HEX5[6:0]=seg4;

4'h5: HEX5[6:0]=seg5;

4'h6: HEX5[6:0]=seg6;

4'h7: HEX5[6:0]=seg7;

4'h8: HEX5[6:0]=seg8;

4'h9: HEX5[6:0]=seg9;

4'ha: HEX5[6:0]=sega;