超大规模集成电路设计(VLSI)6

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1、第六章子系统设计10/1/20211以常用的微处理器为例，它由两个空间（或称为通道）和通讯连线组成。两个空间是程序空间（又称为控制通道）和数据空间（又称为数据通道），通讯连线主要是指总线，这样的分离式的结构被称为哈佛结构。程序空间主要包括：控制器（Controller），程序计数器（PC）和堆栈（Stack），或还包括程序ROM。数据空间主要包括：算术逻辑单元（ALU），累加器（ACC），移位器（Shifter）和寄存器（Register），或还包括RAM。总线有几种形式：分离的程序总线和数据总线（双总

2、线、三总线）和合并总线（程序、数据复用总线）。6.1系统结构概述10/1/202126.1.1算术逻辑单元ALU1.信号结构ALU的核心是全加器，配合相应的函数发生器即可进行多种算术运算和逻辑操作。10/1/202132.全加器10/1/2021410/1/20215毫无疑问，全加器可以实现加法操作。如果我们将Bi倒相后输入，那么，根据A减B等于A加B的补码的原理，即，则：。如果Ci-1等于0，全加器实现的是带借位的减法，如果Ci-1等于1，全加器实现的是普通的减法运算。将前级进位Ci-1看作是控制信号

3、，我们将发现全加器在不同的控制输入下将表现出不同的逻辑操作功能。10/1/20216当Ci-1=0时：本位和Si执行的是异或操作。如果Ai为0，则本位和执行传输Bi的操作，。如果Ai为1，则本位和执行信号Bi的倒相操作，。如果Bi输入本身是一个逻辑函数，例如信号Ei、Di的与逻辑，或逻辑等，这时，本位和传输的就是该逻辑函数的原函数或反函数。10/1/20217如果Ai和Bi输入是一对简单的逻辑函数，例如：，本位和执行的逻辑操作是：如果，本位和执行的逻辑操作是：10/1/20218又如，则本位和执行的逻辑

4、操作是：再如，则本位和执行的逻辑操作是：同样的道理，当Ci-1=1时，也能够得到相应的逻辑操作10/1/20219证明：当Ci-1=1时，10/1/202110结论“与-非”:pMOS并联,nMOS串联“或-非”:pMOS串联,nMOS并联10/1/202111反相器10/1/202112与非门10/1/202113作业用或非-或非结构的PLA设计一个实现四种逻辑操作的电路，其中控制信号为K1K0，逻辑输入为A、B。当K1K0=00时，实现A、B的异或操作；当K1K0=01时，实现A、B的同或操作；当K

5、1K0=10时，实现A、B的与操作；当K1K0=11时，实现A信号的同相操作10/1/20211410/1/20211510/1/202116在加法器逻辑类中，除了全加器，还有一种半加器（Half-adder）电路。所谓半加是指在输入的加数中不考虑前级进位输入Ci-1，加数只有Ai和Bi的情况，因此，半加器的真值表是表6.1前四行的状态。半加器的逻辑表达式是：10/1/202117例：设计一个实现四种逻辑操作的电路，其中控制信号为K1K0，逻辑输入为A、B，当K1K0=00时，实现A、B的与非操作；当K

6、1K0=01时，实现A、B的或非操作；当K1K0=10时，实现A、B的异或操作；当K1K0=11时，实现A信号的倒相操作；分析：从前面对全加器逻辑操作过程的讨论可以推知，要实现与非操作，则半加器的，在半加器的本位和得到。为实现或非操作，要求，在半加器的本位和得到。半加器的本位和本身就是异或逻辑，所以，只要即可实现异或操作。对异或逻辑设定就可以实现A信号的倒相操作。10/1/202118解：根据上面的分析以及题目的要求，可以得到如下的描述：K1K0AiBiSi00B01B10AB11A1由上表经过逻辑化简

7、得到如下的两个表达式：10/1/20211910/1/20212010/1/2021213.以全加器为核心构造的ALU10/1/202122实现算术运算的设计定义全加器的被加数输入端为X端，加数的输入端为Y端，前级进位输入端为JIN，本级进位输出端为JOUT，全加器的本级和输出端为H端。在进行算术运算时，X端始终接数据A，Y端根据功能需要接不同的输入，H端则输出算术运算的结果F。10/1/202123·传送A，并且本级进位输出等于0。当全加器的Y=0，JIN=0（CIN=0）时，全加器的输出H=X，并且

8、JOUT=0，实现了要求F=A。·数据A递增。设定Y=0，JIN=1（CIN=1），全加器的本级和H=X+1+0=X+1，实现了运算F=A+1。10/1/202124·加法运算F=A+B。将Y端与数据B连接即Y=B，JIN=0，H=X+Y+0=X+Y，完成加法F=A+B功能。·带进位的加法F=A+B+1。显然，只要在加法运算方式中将JIN=1即可实现带进位的加法运算要求。10/1/202125·减法运算F=A-B和带借位的减法运算F=A-B