定点补码一位乘法器的设计

计算机组成原理课程设计定点补码一位乘法器的设计

沈阳航空航天大学

课 程 设 计 报 告

课程设计名称：计算机组成原理课程设计

课程设计题目：定点补码一位乘法器的设计

院（系）：计算机学院

专 业：计算机科学与技术

班 级：84010101

学 号：2008040101002

姓 名：边爽

指导教师：曹一鹏

完成日期：2011年1月14日

计算机组成原理课程设计定点补码一位乘法器的设计

目 录

第1章 总体设计方案 .................................................................................................. 1

1.1 设计原理 ................................................................................................................ 1

1.2 设计思路 ................................................................................................................ 2

1.3 设计环境 .............................................................................................................. 4

第2章 详细设计方案 .................................................................................................. 5

2.1 顶层方案图的设计与实现 .................................................................................. 5

2.1.1创建顶层图形设计文件 .................................................................................. 5

2.1.2器件的选择与引脚锁定 .................................................................................. 6

2.1.3编译、综合、适配 .......................................................................................... 7

2.2 功能模块的设计与实现 ...................................................................................... 7

2.2.1 取补模块的设计与实现 ................................................................................. 7

2.2.2选择器模块的设计与实现 .............................................................................. 9

2.2.3 乘数补码移位寄存器模块的设计与实现 ................................................... 12

2.2.4 部分积移位寄存器模块的设计与实现 ....................................................... 14

2.2.5加法器模块的设计与实现 ............................................................................ 16

2.3 仿真调试 ............................................................................................................ 16

第3章 编程下载与硬件测试 .................................................................................... 19

3.1编程下载 ............................................................................................................... 19

3.2 硬件测试及结果分析 ........................................................................................ 19

参考文献 ........................................................................................................................ 22

附 录（电路原理图） ................................................................................................ 23

计算机组成原理课程设计定点补码一位乘法器的设计

第1章 总体设计方案

1.1 设计原理

由于机器都采用补码做加减运算，所以设计补码乘法器能避免码制转换，提高机器效率。在计算两个补码相乘时，可以通过Booth算法来实现定点补码一位乘的功能。布斯(Booth)算法采用相加和相减的操作计算补码数据的乘积，Booth算法对乘数从低位开始判断，根据后两个数据位的情况决定进行加法、减法还是仅仅进行移位操作。

补码一位乘法的运算规则：

(1) 被乘数一般取双符号位参加运算。

(2) 乘数可取单符号位以决定最后一步是否需要校正，即是否加[ X]补。

(3) 乘数末位增设附加位yn 1，且初值为0。部分积[Z0]补初始值为0。

(4) 被乘数[x]补乘以对应的相邻两位乘数（yn 1 yn）之差值，再与前部分积累加，然后右移一位（乘2-1），形成该步的部分积累加和。yn 1与yn构成各步运算的判断值，以决定如何操 作[X]补，见图1.1Booth算法操作说明：

图1.1 Booth算法操作说明

(5)按照上述算法进行n+1步操作，但第n+1步不再移位，仅根据y0与y1的比较结果作相应的运算即可。

计算机组成原理课程设计定点补码一位乘法器的设计

1.2 设计思路

课程设计的要求为：

（1）采用原码值输入，乘数和被乘数皆为8位。

（2）设计的电路应该包括ALU，被乘数寄存器，乘数寄存器，部分积寄存器，门电路和移位电路。

课程设计的思路为：

（1）由于课程设计要求采用原码值输入，就需要设计一个原码值取反码的电路模块，同时只对符号位取反同时也可以实现求[ X]补。

（2）实现Booth算法需添加附加位yn 1，并将其初始值置零，此操作通过外部输入来实现的。

（3）Booth算法在运算中要将部分积初始值置零，此操作是通过给FD寄存器的清零端一个高电平的脉冲信号，使寄存器的数据全部为0，即输出的部分积为00000000。

（4）取乘数末尾两位来判断，为00、11则部分积加0，为01则部分积加被乘数的补码，为10则部分积加乘数相反数的补码。为了实现此操作，需要设计一个二输入四输出选择器及选择电路。

（5）乘数逻辑右移一位，部分积算术右移一位，并用乘数最高位存放部分积溢出的位。此功能的实现，分别设计了乘数移位寄存器，以及部分积移位寄存器。

（6）依次反复直到原乘数部分只剩下最后两位，由于最后一次只运算不移位，所以在输出时要在部分积移位之前输出结果。

（7）加统一的时钟信号，保持各部件同步工作。

定点补码一位乘法器的设计总框图如图1.2所示；定点补码一位乘法器的设计流程图如图1.3所示。

计算机组成原理课程设计定点补码一位乘法器的设计

图1.2 定点补码一位乘法器设计总框图

图1.3 定点补码一位乘法器设计流程图

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1.3 设计环境

（1）硬件环境

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