Referat Digitaltechnik - 4-Bit-ALU in FPGA Implementierung

Digitaltechnik

Belegarbeit:

4-Bit-ALU in FPGA Implementierung

Inhalt:

1. Aufgabenstellung

2. Tastaturdecoder (ABEL)

3. Register

Befehlsregister

Operandenregister

Hilfsregister

4. Bus

5. ALU-KI-Einheit (ABEL)

6. ALU-Control-Einheit (ABEL)

7. Display

Anhang:         

- ABEL Dateien

- Verwendete Macros aus der XILINX-Bibliothek

- Schematik der Gesamtschaltung

1. Aufgabenstellung:

Entwurf einer 4-Bit-ALU in FPGA-Implementierung

Mindestanforderungen:

- 4-Bit-ALU

- 2 Operanden-Register (A=Akku, B)

- Befehls- und Direktwerteingabe über die Tastatur

- Akku-Inhaltsausgabe auf 7-Segmentanzeige permanent

- Datenformat: vorzeichenlose Integerwerte von 0 bis 9 (auch Ergebnis)

- Befehlssatz:

Realisierung / Funktionsnachweis:

- Auf dem XILINX Schaltkreis XC 4003

Entwurfsanforderungen:

- Gesamtschaltung mit dem Schematic-Editor des XILINX Design Managers entwerfen

- Mindestens zwei Teilblöcke in HDL-Eingabe (ABEL)

Geforderte Tastaturbelegung :

Tastatur-Decoder:

(ABEL-Datei siehe Anhang)

Der Tastatur-Decoder setzt die von der Tastatur kommenden Signale (12) in einen Binärcode (4) um.

Der TE-Ausgang (Tastatur Enable) am Tastaur-Decoder wird immer dann HI, wenn eine beliebige Taste auf der Tastatur gedrückt wird. Mit diesem Signal wird der CE-Eingang des Befehlsregisters (Typ RD4, siehe Anhang) gesetzt. Der an den Ausgängen (xA3, xA2, xA1, xA0) des Tastatur-Decoders liegende Binärcode wird dann im Befehlsregister gespeichert.

3. Register:

In der Schaltung werden 5 Register verwendet. Basis ist immer das Register vom Typ RD4 aus der XILINX-Bibliothek (siehe Anhang). Es gibt ein Befehlregister, zwei Operandenregister A (Akku) und B und zwei Hilfsregister für A und B. Die Signale zur Steuerung der Registerfunktionen kommen von der ALU-Control-Einheit.

Befehlsregister (Typ RD4):

Das Befehlsregister speichert die an der Tastatur getätigten Eingaben. Der CE-Eingang muß hierfür auf HI liegen (kommt vom TE-Ausgang des Tastaturdecoders) am C-Eingang muß der Systemtakt anliegen.

Die Ausgänge des Befehlsregisters liegen über Tristate-Buffer (TBUF siehe Anhang) am BUS und außerdem direkt an der ALU-Control.

Operandenregister A (Akku) und B:

Die Operandenregister speichern die Operanden für die arithmetischen und logischen Funktionen der ALU.

Im Register A werden auch die Ergebnisse der Berechnungen gespeichert. Die Eingänge beider Register sind direkt auf den BUS geschaltet. Die Ausgänge sind an BCD-Decoder angeschlossen, so daß der Inhalt des Registers auf einer 7-Segment-Anzeige dargestellt werden kann. Außerdem sind die Ausgänge über Tristate-Buffer(TBUF siehe Anhang) auf den BUS geschaltet.

Hilfsregister:

Die Hilfsregister für die Register A und B speichern den Inhalt der Operandenregister. Die Eingänge der Hilfsregister sind direkt auf den BUS geschaltet, die Ausgänge führen direkt zur ALU-KI (Rechenwerk).

So wird gewährleistet, das innerhalb eines Zustandes beide Operanden verfügbar sind.

4. Bus:

Der BUS besteht aus vier parallelen Leitungen (4-Bit Busbreite), die alle Funktionsgruppen miteinander verbinden. Damit nicht mehrere Funktionsgruppen gleichzeitig ihre Signale auf den BUS senden (Buskonflikte), sind die Ausgänge der entsprechenden Gruppen mit Tristate-Buffern vom BUS entkoppelt. Die Freischaltung des Ausgangs einer Funktionsgruppe erfolgt durch ein Signal der ALU-Control-Einheit an die Tristate-Buffer. Soll eine Funktionsgruppe (Register) vom BUS lesen, so wird auch hier ein entsprechendes Signal von der ALU-Control benötigt.

5. ALU-KI (Rechenwerk):

Das Rechenwerk besteht aus einer kombinatorischen Schaltung und einem 4-Bit-Adder (ADD4 siehe Anhang) mit Carry-In/Out. Alle Berechnungen werden in eine Addition umgesetzt, die kombinatorische Schaltung wandelt die Operanden in die erforderliche Form um.

Die folgende Tabelle stellt die Ausgangsvariablen in Abhängigkeit von den Eingangsvariablen dar:

Aus der Tabelle ergeben sich folgende Gleichungen für die Ausgangszustände:

(Die Kodierung der Befehle in den Gleichungen ist unterstrichen)

XA1= (!X3&!X2&X1&X0&A1)# (!X3&X2&!X1&!X0&A1)# (!X3&X2&!X1&X0&A1)#

(!X3&X2&X1&!X0&A1)# (!X3&X2&X1&X0&A2)# (X3&!X2&!X1&!X0&A1);

XB1= (!X3&!X2&X1&X0&B1)# (!X3&X2&!X1&!X0&!B1)#

(!X3&X2&X1&!X0)# (X3&!X2&!X1&!X0&A1);

XA2= (!X3&!X2&X1&X0&A2)# (!X3&X2&!X1&!X0&A2)# (!X3&X2&!X1&X0&A2)#

(!X3&X2&X1&!X0&A2)# (!X3&X2&X1&X0&A3)# (X3&!X2&!X1&!X0&A2);

XB2= (!X3&!X2&X1&X0&B2)# (!X3&X2&!X1&!X0&!B2)#

(!X3&X2&X1&!X0)# (X3&!X2&!X1&!X0&A2);

XA3= (!X3&!X2&X1&X0&A3)# (!X3&X2&!X1&!X0&A3)# (!X3&X2&!X1&X0&A3)#

(!X3&X2&X1&!X0&A3)# (!X3&X2&X1&X0&A4)# (X3&!X2&!X1&!X0&A3);

XB3= (!X3&!X2&X1&X0&B3)# (!X3&X2&!X1&!X0&!B3)#

(!X3&X2&X1&!X0)# (X3&!X2&!X1&!X0&A3);

XA4= (!X3&!X2&X1&X0&A4)# (!X3&X2&!X1&!X0&A4)# (!X3&X2&!X1&X0&A4)#

(!X3&X2&X1&!X0&A4)# (X3&!X2&!X1&!X0&A4);

XB4= (!X3&!X2&X1&X0&B4)# (!X3&X2&!X1&!X0&!B4)#

(!X3&X2&X1&!X0)# (X3&!X2&!X1&!X0&A4);

Carry= (!X3&X2&!X1);

6. ALU-Control-Einheit:

Die Alu-Control-Einheit läßt sich als Zustandsgraph mit neun inneren Zuständen darstellen.

Jeder dieser inneren Zustände steuert die Ausgänge anders an.

Mit diesen Signalen (außer BR_IE) werden die jeweiligen Tristatebuffer an den entsprechenden Einheiten angesteuert.

Diese Tristateeingänge sind low-active, deshalb werden die Ausgänge invertiert.

Ausgänge der ALU-Control-Einheit:

A_IE               S4 OR S8 nehme das auf den Bus liegende Signal in Register A

A_OE             S2 lege Inhalt des Akku auf den Bus

B_IE               S9 nehme das auf den Bus liegende Signal in Register B

B_OE             S3 lege Registerinhalt B auf den Bus

A_t_IE                       S2 nehme das auf den Bus ligende Signal ins Zwischenregister A_t

B_t_IE                       S3 nehme das auf den Bus ligende Signal ins Zwischenregister B_t

ALU_OE        S4 lege Ergebnis der ALU-Einheit auf den Bus

BR_OE                      S8 OR S9 lege Befehlsschlüssel auf den Bus

BR_IE                        S1 OR S6 OR S7 Das clock-Signal wird an das Befehlsregister gelegt,

sodaß das BR die Daten des Tastaturdecoders übernehmen kann.

BR_reset         S5 Lösche das Befehlsregister

(A_IE , A_OE , B_IE , B_OE , A_t_IE , B_t_IE,

ALU_OE , BR_OE , BR_IE , BR_reset)

Innere Zustände der ALU-Control-Einheit:

S1                               Der clock steuert die Übernahme der Eingabe von dem Tastaturdecoder.

die Eingabe wird vom Tasterturdecoder gelesen und in das Befehlsregister geschrieben. Ist die Eingabe 0,1,2,9, so wird wieder in Zustand S1 gesprungen (der Benutzer hat eine unbelegte Eingabe getätigt).

Ist die Eingabe 3-8 wird in Zustand S2 gesprungen, da es diejenigen Befehle sind die in der Alu verarbeitet werden.

Bei der Taste _/c also (10/11) erreicht das System den Zustand S6 bzw. S7, d.h. die Befehle mov A / mov B werden aktiv.

S2                               In diesem Zustand wird der Ausgang des Akkus freigeschaltet, damit das gleichzeitig freigeschaltete Zwischenregister A_t das Signal vom Bus nehmen kann. Wenn ein Befehl eingegeben wurde, der den Akku B benötigt (add A,B; sub A,B), wird in den Zustand S3 gesprungen, ansonsten wird in den Zustand S4 gesprungen.

S3                               In diesem Zustand wird der Ausgang des Registers B freigeschaltet, damit das gleichzeitig freigeschaltete Zwischenregister B_t das Signal vom Bus nehmen kann. Danach geht das System in den Zustand S4.

S4                               Das Ergebnis der Alu wird auf den Bus gelegt und in den Akku geschrieben.

Der nächste Zustand ist S5

S5                               Das Befehlsregister wird gelöscht und das System gelangt wieder in den Zustand S1.

S6                               Diesen Zustand benötigt der Befehl mov A (Wert wird in den Akku geschrieben).

Das clock-Signal wird wieder von der übrigen Schaltung abgeklemmt und wenn eine Taste 0-9 gedrückt wurde, geht das System in den Zustand S8, ansonsten wird wieder in den Zustand S6 gesprungen und eine neue Eingabe gefordert.

S7                               Diesen Zustand benötigt der Befehl mov B (Wert wird in das Reg. B geschrieben).

Das clock-Signal wird wieder von der übrigen Schaltung abgeklemmt und wenn eine Taste 0-9 gedrückt wurde, geht das System in den Zustand S9, ansonsten wird wieder in den Zustand S7 gesprungen und eine neue Eingabe gefordert.

S8                               Das Befehlregister legt seinen Inhalt auf den Bus und dieses Signal wird in den Akku hineingeschrieben. Das System wechselt in den Zustand S5.

S9                               Das Befehlregister legt seinen Inhalt auf den Bus und dieses Signal wird in Register B hineingeschrieben. Das System wechselt in den Zustand S5.

7. Display:

Das Display besteht aus zwei 7-Segment-Anzeigen, die permanent die Inhalte der beide Operandenregister A und B anzeigen (dezimal). Sie werden über einen BCD-7-Segment-Umsetzer angesteuert.

Zusätzlich wurden LEDs zur Überwachung verschiedener Funktionen (z.B. Takt, Reset-Befehlsregister, OE-Befehlsregister usw.) angesteuert. Auf die Benutzung des Rechners haben sie keinen Einfluß.

Anhang:

ABEL-Datei für den Tastaturdecoder:

MODULE Tast_Dec

TITLE 'Tastatur-Decoder'

'inputs

t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,t0,t_,tc PIN;

'outputs

xA3, xA2, xA1, xA0, xte PIN;

'equation table

I xA3 xA2 xA1 xA0

----- ----- ----- ----- -----

t0 I 0 0 0 0

t1 I 0 0 0 1

t2 I 0 0 1 0

t3 I 0 0 1 1

t4 I 0 1 0 0

t5 I 0 1 0 1

t6 I 0 1 1 0

t7 I 0 1 1 1

t8 I 1 0 0 0

t9 I 1 0 0 1

t_ I 1 0 1 0

tc I 1 0 1 1

EQUATIONS

xA3=t8#t9#t_#tc;

xA2=t4#t5#t6#t7;

xA1=t2#t3#t6#t7#t_#tc;

xA0=t1#t3#t5#t7#t9#tc;

xte=t0#t1#t2#t3#t4#t5#t6#t7#t8#t9#t_#tc;

@DCSET

END

ABEL-Datei für die ALU-KI-Einheit (Rechenwerk):

MODULE ALU_KI

TITLE 'ALU Ki'

'inputs

A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4,

X3,X2,X1,X0 PIN;

'outputs

XA1,XA2,XA3,XA4,

XB1,XB2,XB3,XB4,Carry PIN;

EQUATIONS

XA1=(!X3&!X2&X1&X0&A1)#(!X3&X2&!X1&!X0&A1)#(!X3&X2&!X1&X0&A1)#

(!X3&X2&X1&!X0&A1)#(!X3&X2&X1&X0&A2 )#(X3&!X2&!X1&!X0&A1);

XB1=(!X3&!X2&X1&X0&B1)#(!X3&X2&!X1&!X0&!B1)#

(!X3&X2&X1&!X0) #(X3&!X2&!X1&!X0&A1);

XA2=(!X3&!X2&X1&X0&A2)#(!X3&X2&!X1&!X0&A2)#(!X3&X2&!X1&X0&A2)#

(!X3&X2&X1&!X0&A2)#(!X3&X2&X1&X0&A3 )#(X3&!X2&!X1&!X0&A2);

XB2=(!X3&!X2&X1&X0&B2)#(!X3&X2&!X1&!X0&!B2)#

(!X3&X2&X1&!X0) #(X3&!X2&!X1&!X0&A2);

XA3=(!X3&!X2&X1&X0&A3)#(!X3&X2&!X1&!X0&A3)#(!X3&X2&!X1&X0&A3)#

(!X3&X2&X1&!X0&A3)#(!X3&X2&X1&X0&A4 )#(X3&!X2&!X1&!X0&A3);

XB3=(!X3&!X2&X1&X0&B3)#(!X3&X2&!X1&!X0&!B3)#

(!X3&X2&X1&!X0) #(X3&!X2&!X1&!X0&A3);

XA4=(!X3&!X2&X1&X0&A4)#(!X3&X2&!X1&!X0&A4)#(!X3&X2&!X1&X0&A4)#

(!X3&X2&X1&!X0&A4)#(X3&!X2&!X1&!X0&A4);

XB4=(!X3&!X2&X1&X0&B4)#(!X3&X2&!X1&!X0&!B4)#

(!X3&X2&X1&!X0) #(X3&!X2&!X1&!X0&A4);

Carry=!X3&X2&!X1;

END

ABEL-Datei für die ALU-Control-Einheit:

MODULE ALU_CTRL

TITLE 'ALU Contrlol Einheit'

'clock

clock PIN;

'inputs

B3,B2,B1,B0 PIN;

INPUT=[B3,B2,B1,B0];

'outputs

A_IE, A_OE, B_IE, B_OE, A_t_IE,

B_t_IE, ALU_OE, BR_OE, BR_IE,

BR_reset PIN;

'state diagram decleration

sbit STATE_REGISTER istype 'reg_D';

s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9 STATE;

XILINX PROPERTY 'INITIALSTATE s1';

EQUATIONS

sbit.clk= clock;

A_IE = !(s4#s8);

A_OE = !(s2);

B_IE = !(s9);

B_OE = !(s3);

A_t_IE = !(s2);

B_t_IE = !(s3);

ALU_OE = !(s4);

BR_OE = !(s8#s9);

BR_IE = s1#s6#s7;

BR_reset= s5;

@DCSET

' C=11 -=10

STATE_DIAGRAM sbit

STATE s1: if (((INPUT>=0)&(INPUT<=2))#(INPUT==9)) THEN s1

else if (INPUT==10) THEN s6

else if (INPUT==11) THEN s7

else s2;

STATE s2: if ((INPUT==3)#(INPUT==4)) THEN s3

else s4;

STATE s3: goto s4;

STATE s4: goto s5;

STATE s5: goto s1;

STATE s6: if ((INPUT>=0)&(INPUT<=9)) THEN s8

else s6;

STATE s7: if ((INPUT>=0)&(INPUT<=9)) THEN s9

else s7;

STATE s8: goto s5;

STATE s9: goto s5;

END