安徽大学计算机科学与技术学院《计算机组成原理》
课程设计、实践设计报告
学生学号： E20814108、E20814098
学生姓名：蒋信、许东
年级专业：08软件工程二班
授课教师：周勇老师
完成时间： 2011/03/20
4位并行加法器设计实验
1 课程设计概述
1.1 课程设计的教学目的
掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握数据信息流和控制信息流的流动过程，进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。在设计实验中提供应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。
1.2 课程设计的内容
通过MuxPlus2软件，下载加法程序到实验箱，然后在其上连线,输入两个二进制数，观察结果并与理论值进行比较，实现4位二进制数相加并得到正确的结果。
1.3 课程设计的任务
1、掌握MaxPlus2软件的使用方法。
2、掌握4位并行加法器的设计原理，掌握超前进位产生电路的设计方法.
3、正确将电路原理图下载到试验箱中.
4、正确通过实验箱连线实现4位二进制数的相加并得到正确结果.
5、完成设计实验报告.
1.4 课程设计的题目及其思想
题目：设计一个四位并行加法器，并能在试验箱上编译通过，且连线后可以具体实现加法
设计思想：由于本次课程设计的目的是在学完计算机组成原理课程后通过课程设计理解计算机各个功能器件的工作原理，计算机是如何实现这些功能的，所以我们选择了四位并行加法器这个简单的题目，用到了一些逻辑运算部件，并采用超前进位加法器的设计方法提高运算速度。实验最后下载到试验箱上并连线参照了课程实验中乘法器的设计。
2 课程设计的实现
2.1 设计基础
加法器是计算机的基本运算部件之一。
（1）若不考虑进位输入,两数码Xn,Yn相加称为半加,如下图为半加其功能表:
(a)半加器功能表
(b)半加器逻辑图
（2）将Xn Yn以及进位输入Cn-1相加称为全价，其功能表如下图：
a.（全加器功能表）
(b)全加器的逻辑图
由功能表可得全加和Fn和进位输出Cn表达式：Fn=Xn Yn Cn-1+ Xn Yn Cn-1+ Xn Yn Cn-1+ Xn Yn Cn-1 Cn= Xn Yn Cn-1+ Xn Yn Cn-1+ Xn Yn Cn-1+ Xn Yn Cn-1 Fn还可以用两个半加器来形成：
Fn=Xn○+Yn○+Cn-1
如此，将n个全加器相连可得n位加法器，如图：
但加法时间较长，只是因为其位间进位使串行的传送的，本位全加和Fi必须等低位进位Ci-1来到后才能进行，加法时间与位数有关，只有改变进位逐位传送，才能提高加法器的工作速度。因此，只要使各位的进位不需依赖上一个进位即可。所以我们采用“超前进位产生电路”来同时形成各位进位，从而实现快速加法，这就是超前进位加法器的设计思想来源。
2.2 设计原理
超前进位产生电路是根据各位进位的形成条件来实现的。只要满足下列二条件中任一个，就可以形成C1，（1）X1，Y1均为1（2）X1，Y1任一个位1，且进位C0位1。
可以写出C1的表达式为
C1=X1Y1+(X1+Y1)C0
只要满足下述条件中任一个即可形成C2，（1）X2,Y2均为1；（2）X2,Y2任一为1，且X1,Y1均为1；（3）X2,Y2任一为1，同时X1,Y1
任一为1，且C0为1。
可以写出C2的表达式为
C2=X2Y2+（X2+Y2）X1Y1+（X2+Y2）（X1+Y1）C0 由上，同理可得到
C3=X3Y3+（X3+Y3）X2Y2+(X3+Y3)（X2+Y2）X1Y1+(X3+Y3)（X2+Y2）（X1+Y1）C0
C4=X4Y4+(X4+Y4)X3Y3+(X4+Y4)（X3+Y3）X2Y2+(X4+Y4) (X3+Y3)（X2+Y2）X1Y1+(X4+Y4) (X3+Y3)（X2+Y2）（X1+Y1）C0
由上面的式子可知：
C1=X1Y1+（X1+Y1）C0
C2=X2Y2+（X2+Y2）C1
C3=X3Y3+（X3+Y3）C2
C4=X4Y4+（X4+Y4）C3
引入进位传递函数Pi和进位产生函数Gi.其定义如下:
Pi=Xi+Yi.
Gi=XiYi
Pi的意义是:当Xi,Yi中有一个为1时,若有进位输入,则本位向高位传送此进位,这个进位可看成是低位进位越过本位直接向高位传递的.
Gi的意义是:当Xi,Yi均为1时,不管有无进位输入,本位定会产生向高位产生的进位.
将Pi,Gi代入C1~C4式,便可得:
C1=G0+P0C0
C2=G1+P1G0+P1P0C0
C3=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0C0
C4=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C0
由以上分析可得出在输入项为A3A2A1A0和B3B2B1B0以及进位输入C0时,各个输出项S3S2S1S0和进位输出C4分别为: S3=A3○+B3○+C3
S2=A2○+B2○+C2
S1=A1○+B1○+C1
S0=A0○+B0○+C0
C4=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C0
由此我们可以画出如下电路原理路：
参照乘法器的连线方法，可以画出下面的实验连线图，如下图：
2.3结果及问题
预计结果当输入0001和0010是结果应是0011
实验中多次连线多没有得出最后正确的结果，后来和几个同样做加法器的同学一起讨论，并在老师的指导下发现时引脚没有绑定，导致没有结果，最后在改正了错误的而前提下，读出结果完成实验。
3 课程设计的心的和体会
通过本课程设计，自己学会了很多，以前只是完全按照书上的模式来连接电路图，现在学会了如何自己动手去构造实验原理图，并且大致能解决实验过程中出现的一些基本问题。
在做此次实验之前，我们做的主要工作是看书，感觉书都没弄懂的话要去做好实验那是不可能的。我们先是参考《计算机组成与结构》和《计算机组成原理与系统结构实验教程》这两本书，了解了何谓四位并行加法器以及它的工作原理。然后我们又花了一些时间来认识和熟悉Muxplus2以及如何联机操作。前后我们共花了两周的时间来完成实验原理图，中间感觉不怎么明白的地方就问同学，同学也没明白的话，我们就一些人在一起讨论。
在接下来的实际连线阶段，由于缺乏对实验箱的深入了解，跟搭档探索讨论了许久也没有搞出来，时间又有限，可把我们急坏了。在跟同学们的商量以及老师的提点下，终于知道，要把相关引脚绑定，然后参照乘法器连线图就基本可以完成最终实验了。
通过和组员的分工合作，以及讨论，更加学会怎么团队合作完成一个工作。还有，通过和组员的交流可以发现彼此对整个实验的思考和理解的差异，互相促进更好地理解这个实验。
经过这5周的课程设计，我对计算机组成原理有了更深一层的理解，并且也深刻地认识到实践的重要性，只有理论与实践相结合才能更深地理解与运用知识。
四位全加器 11微电子黄跃21 【实验目的】 采用modelsim集成开发环境，利用verilog硬件描述语言中行为描述模式、结构描述模式或数据流描述模式设计四位进位加法器。 【实验内容】 加法器是数字系统中的基本逻辑器件。多位加法器的构成有两种方式：并行进位和串行进位方式。并行进位加法器设有并行进位产生逻辑，运算速度快；串行进位方式是将全加器级联构成多位加法器。通常，并行加法器比串行级联加法器占用更多的资源，并且随着位数的增加，相同位数的并行加法器比串行加法器的资源占用差距也会越来越大。 实现多位二进制数相加的电路称为加法器,它能解决二进制中1＋1＝10的功能（当然还有 0＋0、0＋1、1＋0）. 【实验原理】
表2 全加器逻辑功能真值表 图4 全加器方框图 图5 全加器原理图 多位全加器连接可以是逐位进位，也可以是超前进位。逐位进位也称串行进位，其逻辑电路简单，但速度也较低。 四位全加器 如图9所示，四位全加器是由半加器和一位全加器组建而成： 图9 四位全加器原理图 【实验步骤】 (1)建立新工程项目： 打开modelsim软件，进入集成开发环境，点击File→New project建立一
个工程项目adder_4bit。 建立文本编辑文件： 点击File→New在该项目下新建Verilog源程序文件 并且输入源程序。 (2)编译和仿真工程项目： 在verilog主页面下，选择Compile— Compile All或点击工具栏上的按钮启动编译，直到project出现status栏全勾，即可进行仿真。 选择simulate - start simulate或点击工具栏上的按钮开始仿真，在跳出来的 start simulate框中选择work-test_adder_4bit测试模块，同时撤销Enable Optimisim前的勾，之后选择ok。 在sim-default框内右击选择test_adder_4bit，选择Add Wave,然后选择simulate-run-runall,观察波形，得出结论，仿真结束。 四位全加器 1、原理图设计 如图9所示，四位全加器是由半加器和一位全加器组建而成： 图9 四位全加器原理图 【仿真和测试结果】 下图为四位全加器的仿真图：
16位超前加法器设计实验 一、实验分析： 四位超前进位加法器HDL程序： module add4_head ( a, b, ci, s, pp, gg); input[3:0] a; input[3:0] b; input ci; output[3:0] s; output pp; output gg; wire[3:0] p; wire[3:0] g; wire[2:0] c; assign p[0] = a[0] ^ b[0]; assign p[1] = a[1] ^ b[1]; assign p[2] = a[2] ^ b[2]; assign p[3] = a[3] ^ b[3]; assign g[0] = a[0] & b[0]; assign g[1] = a[1] & b[1]; assign g[2] = a[2] & b[2]; assign g[3] = a[3] & b[3]; assign c[0] = (p[0] & ci) | g[0]; assign c[1] = (p[1] & c[0]) | g[1]; assign c[2] = (p[2] & c[1]) | g[2]; assign pp = p[3] & p[2] & p[1] & p[0]; assign gg = g[3] | (p[3] & (g[2] | p[2] & (g[1] | p[1] & g[0]))); assign s[0] = p[0] ^ ci; assign s[1] = p[1] ^ c[0]; assign s[2] = p[2] ^ c[1]; assign s[3] = p[3] ^ c[2]; endmodule p表示进位否决信号（pass），如果p为0就否决调前一级的进位输入。否决的意思就是即使前一级有进位，本级也不会向后一级产生进位输出。 g表示进位产生信号（generate），如果g为1就表示一定会向后一级产生进位输出。p[n] = a[n] ^ b[n]这句话的意思是说，当a=1,b=0或a=0,b=1时前一级的进位输入信号不能否决。这样就有个问题了，即当a=1,b=1时前一级的进位输入信号也不能否决啊，怎么没有体现出来？其实当a=1,b=1时产生了进位产生信号g，它的优先级高于p信号，就忽略了p信号，直接产生了向后一级产生进位输出，是没有逻辑错误的。 g[n] = a[n] & b[n] 这句话的意思是说，如果a=1,b=1时就直接向后一级产生进位输出信号，而不用考虑其它的任何因素。
实验一四位串行进位加法器的设计 一、实验目的 1.理解一位全加器的工作原理 2.掌握串行进位加法器的逻辑原理 3.进一步熟悉Quartus软件的使用，了解设计的全过程， 二、实验内容 1.采用VHDL语言设计四位串行进位的加法器 2.采用画原理图的方法设计四位串行进位加法器 三、实验步骤 1、使用VHDL语言设计 1.打开File—>New Project Wizard输入文件名adder4保存在D盘内，打开File—>New—>VHDL File,从模版中选择库的说明，use语句的说明，实体的说明，结构体的说明，编写VHDL代码，然后保存、编译。打开File—>New—>Other File—>Vector Waveform File,查找引脚，从Edit中选择End Time 输入40、ns 保存。从Assignments—>Settings—>Simulator Settings —>Functional 然后Processing—>Generate Functional Simnlation Netlist —>确定。选择Start Simulation保存最后的波形图，打开File —>close关闭工程。 底层文件： LIBRARY ieee;
USE fadder IS PORT ( a, b,cin : IN STD_LOGIC; s, co : OUT STD_LOGIC ); END fadder; ARCHITECTURE arc1 OF fadder IS BEGIN s<=a xor b xor cin; co<=((a xor b)and cin)or(a and b); END arc1; 顶层文件： LIBRARY ieee; USE adder4 IS PORT ( c0: IN STD_LOGIC; a,b : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); s : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); c4 : OUT STD_LOGIC );
加法器实验报告文档2篇 Adder experiment report document 编订：JinTai College
加法器实验报告文档2篇 小泰温馨提示：实验报告是把实验的目的、方法、过程、结果等记录下来，经过整理，写成的书面汇报。本文档根据实验报告内容要求展开说明，具有实践指导意义，便于学习和使用，本文下载后内容可随意修改调整及打印。 本文简要目录如下：【下载该文档后使用Word打开，按住键盘Ctrl键且鼠标单击目录内容即可跳转到对应篇章】 1、篇章1：加法器实验报告文档 2、篇章2：加法器的基本原理实验报告文档 篇章1:加法器实验报告文档 【实验名称】 【目的与要求】 1.掌握1位全加器的设计 2.学会1位加法器的扩展【实验内容】 1.设计1位全加器
2.将1位全加器扩展为4位全加器 3.使4位的全加器能做加减法运算 【操作步骤】 1.1位全加器的设计 （1）写出1位全加器的真值表 （2）根据真值表写出表达式并化简 （3）画出逻辑电路 （4）用quartusII进行功能仿真，检验逻辑电路是否正确，将仿真波形截图并粘贴于此 （5）如果电路设计正确，将该电路进行封装以用于下一个环节 2.将1位全加器扩展为4位全加器 （1）用1位全加器扩展为4位的全加器，画出电路图 （2）分别用两个4位补码的正数和负数验证加法器的正确性（注意这两 个数之和必须在4位补码的数的范围内，这两个数包括符号在内共4位），用quartusII进行功能仿真并对仿真结果进行截图。
3.将4位的全加器改进为可进行4位加法和减法的运算器 （1）在4位加法器的基础上，对电路进行修改，使该电路不仅能进行加 法运算而且还能进行减法运算。画出该电路 （2）分别用两个4位补码的正数和负数验证该电路的正确性（注意两个 数之和必须在4位补码的数的范围内），用quartusII 进行功能仿真并对仿真结果进行截图。 【附录】 篇章2:加法器的基本原理实验报告文档【按住Ctrl键点此返回目录】 一、实验目的 1、了解加法器的基本原理。掌握组合逻辑电路在Quartus Ⅱ中的图形输入方法及文本输入方法。 2、学习和掌握半加器、全加器的工作和设计原理
超前进位加法器原理 74283为4位超前进位加法器，不同于普通串行进位加法器由低到高逐级进位，超前进位加法器所有位数的进位大多数情况下同时产生，运算速度快，电路结构复杂。其管脚如图1所示： 图1 74283管脚图 其真值表如下所示： 表1 4位超前进位加法器真值表
由全加器的真值表可得S i 和C i 的逻辑表达式： 定义两个中间变量G i 和P i ： 当A i ＝B i ＝1时，G i ＝1，由C i 的表达式可得C i ＝1，即产生进位，所以G i 称为产生量变。若P i ＝1，则A i ·B i ＝0，C i ＝C i-1 ，即P i ＝1时，低位的进位能传 送到高位的进位输出端，故P i 称为传输变量，这两个变量都与进位信号无关。 将G i 和P i 代入S i 和C i 得： 进而可得各位进位信号的逻辑表达如下：
根据逻辑表达式做出电路图如下： 逻辑功能图中有2输入异或门，2输入与门，3输入与门，4输入与门，2输入或门，3输入或门，4输入或门，其转化成CMOS晶体管图如下：
电路网表如下： *xor 2 .subckt xor2 a b c d f mxorpa 1 a vdd vdd pmos l=2 w=8 mxorpb f d 1 vdd pmos l=2 w=8 mxorpc 2 b vdd vdd pmos l=2 w=8 mxorpd f c 2 vdd pmos l=2 w=8 mxorna f a 3 0 nmos l=2 w=4 mxornb 3 b 0 0 nmos l=2 w=4 mxornc f c 4 0 nmos l=2 w=4 mxornd 4 d 0 0 nmos l=2 w=4 .ends xor2 *and2 .subckt and2 a b f mandpa f a vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpb f b vdd vdd pmos l=2 w=4 mandna f a 1 0 nmos l=2 w=4 mandnb 1 b 0 0 nmos l=2 w=4 .ends and2 *and3 .subckt and3 a b c f mandpa f a vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpb f b vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpc f c vdd vdd pmos l=2 w=4 mandna f a 1 0 nmos l=2 w=6 mandnb 1 b 2 0 nmos l=2 w=6 mandnc 2 c 0 0 nmos l=2 w=6 .ends and3 *and4 .subckt and4 a b c d f mandpa f a vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpb f b vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpc f c vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpd f d vdd vdd pmos l=2 w=4 mandna f a 1 0 nmos l=2 w=8 mandnb 1 b 2 0 nmos l=2 w=8 mandnc 2 c 3 0 nmos l=2 w=8 mandnd 3 d 0 0 nmos l=2 w=8 .ends and4
实验一4位全加器的设计 一、实验目的： 1 熟悉QuartusⅡ与ModelSim的使用； 2 学会使用文本输入方式和原理图输入方式进行工程设计； 3 分别使用数据流、行为和结构化描述方法进行四位全加器的设计； 4 理解RTL视图和Technology Map视图的区别； 5 掌握简单的testbench文件的编写。 二、实验原理： 一个4位全加器可以由4个一位全加器构成，加法器间的进位可以串行方式实现，即将低位加法器的进位输出cout与相邻的高位加法器的进位输入信号cin相接。 三、实验内容： 1.QuartusII软件的熟悉 熟悉QuartusⅡ环境下原理图的设计方法和流程，可参考课本第4章的内容，重点掌握层次化的设计方法。 2.设计1位全加器原理图 设计的原理图如下所示：
VHDL源程序如下（行为描述）：-- Quartus II VHDL Template -- Unsigned Adder library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity f_add is port ( a : in std_logic; b : in std_logic; ci : in std_logic; y : out std_logic; co : out std_logic ); end entity; architecture rtl of f_add is begin (co,y)<=('0',a)+('0',b)+('0',ci); end rtl;
西安邮电大学Verilog HDL实验报告（二） ——带超前进位的四位全加器 学院名称：电子工程学院 班级：电子 学生姓名： 学号：
实验题目带超前进位的四位全加器 一、实验内容 设计的一个带超前进位的四位全加器。 二、实验步骤 1、在ModelSim软件中对激励模块和设计模块进行书写和编译； 2、对编译好的模块进行仿真。 三、源代码: 1、主程序 module fulladd4(sum, c_out, a, b, c_in); output [3:0] sum; output c_out; input [3:0] a,b; input c_in; wire p0,g0,p1,g1,p2,g2,p3,g3; wire c4,c3,c2,c1; xor a1(p0,a[0],b[0]); xor a2(p1,a[1],b[1]); xor a3(p2,a[2],b[2]); xor a4(p3,a[3],b[3]); and b1(g0,a[0],b[0]); and b2(g1,a[1],b[1]); and b3(g2,a[2],b[2]); and b4(g3,a[3],b[3]); and d1(e1,p0,c_in); or f1(c1,e1,g0); and d2(e2,p1,g0);and d3(e3,p1,p0,c_in);or f2(c2,g1,e2,e3); A nd d4(e4,p2,g1);and d5(e5,p2,p1,g0);and d6(e6,p2,p1,c_in);or f3(c3,g2,e4,e5,e6); and d7(e7,p3,g2);and d8(e8,p3,p2,g1);and d9(e9,p3,p2,p1,g0);and d10(e10,p3,p2,p1,p0,c_in);or f4(c4,g3,e7,e8,e9,e10); xor m0(sum[0],p0,c_in); xor m1(sum[1],p1,c1); xor m2(sum[2],p2,c2); xor m3(sum[3],p3,c3); and n1(c_out,c4,c4); endmodule 2、激励程序 module fulladd4_tb;
半加器、全加器、串行进位加法器以及超前进位加法器 一、实验原理 1.一位半加器 A和B异或产生和Sum，与产生进位C 2.一位全加器 将一位半加器集成封装为halfadder元件，使用两个半加器构成一位的全加器 3.4位串行进位加法器 将一位全加器集成封装为Fulladder元件，使用四个构成串行进位加法器
4.超前进位加法器（4位） ⑴AddBlock 产生并行进位链中的ti(即Cthis)和di（即Cpass），以及本位结果Sum ⑵进位链（Cmaker） 四位一组并行进位链，假设与或非门的级延迟时间为1.5ty，与非门的延迟时间为1ty，在di和ti产生之后，只需2.5ty就可产生所有全部进位
⑶超前进位加法器 将以上二者结合起来即可完成，A和B各位作为各个AddBlock的输入，低一位的进位Ci-1作为本位AddBlock的C-1的输入。各个AddBlock输出的C_this和C_pass作为对应的Cmaker的thisi和passi的输入。
二、实验器材 QuartusII仿真软件，实验箱 三、实验结果 1.串行进位加法器结果 2.超前进位加法器结果
四、实验结果分析 1.实验仿真结果显示串行加法器比超前进位加法器快，部分原因应该是电路结构优化 不到位。另外由于计算的位数比较少，超前进位加法链结构较复杂，所以优势没体现出来，反倒运作的更慢一点。当位数增加的时候，超前进位加法器会比串行的更快。 2.波形稳定之前出现上下波动，应该与“竞争冒险”出现的情况类似，门的延迟和路径 的不同导致了信号变化时到达的时间有先有后，因此在最终结果形成前出现了脉冲尖峰和低谷；另外也可能部分原因由于电路结构优化的不到位所致
4位超前进位加法器 设计
、、 模拟集成电路分析与设计课程设计报告 题目4位超前进位加法器设计 学院（部）电控学院 专业电子科学与技术 班级 学生姓名 学号
前言 20世纪是IC迅速发展的时代。计算机等信息产业的飞速发展推动了集成电路（Integrated Circuit—IC）产业。大多数超大规模集成电路（Very Large Scale IC—VLSI）在日常生活中有着广泛的应用。在这些广泛应用的运算中，加法器是组成这些运算的基本单元。在高性能微处理器和DSP处理器中，加法器的运算时间至关重要。加法器运算常常处于高性能处理器运算部件的关键路径中，特别是在算术逻辑单元中加法器的运算时间对处理器的速度起着决定性的作用。随着微处理器的运算速度越来越快，对快速加法器的需求也越来越高。 当今，加法器的设计面临两大课题，首先是如何降低功耗。随着便携式IC产品例如MP3播放器，手机和掌上电脑等的广泛使用，要求IC工程师对现有运算模块的性能作进一步改进，尤其是在电路的功耗和尺寸方面。由于现在相应的电池技术难以和微电子技术的发展速度匹敌，这使得IC设计师遇到了许多限制因素，比如高速，大吞吐量，小尺寸，低功耗等。因此，这使得研究低功耗高性能加法单元持续升温。另一方面就是如何提高加法器的运算速度。因为加法运算存在进位问题，使得某一位计算结果的得出和所有低于它的位相关。因此，为了减少进位传输所耗的时间，提高计算速度，人们设计了多种类型的加法器，如超前进位加法器曼彻斯特加法器、进位旁路加法器、进位选择加法器等。它们都是利用各位之间的状态来预先产生高位的进位信号，从而减少进位从低位向高位传递的时间。 本文首先介绍了的加法器的类型以及其工作原理，然后重点分析了超前进位加法器的组成结构、结构参数以及
四位全加器 11微电子黄跃1117426021 【实验目的】 采用modelsim集成开发环境，利用verilog硬件描述语言中行为描述模式、结构描述模式或数据流描述模式设计四位进位加法器。 【实验内容】 加法器是数字系统中的基本逻辑器件。多位加法器的构成有两种方式：并行进位和串行进位方式。并行进位加法器设有并行进位产生逻辑，运算速度快；串行进位方式是将全加器级联构成多位加法器。通常，并行加法器比串行级联加法器占用更多的资源，并且随着位数的增加，相同位数的并行加法器比串行加法器的资源占用差距也会越来越大。 实现多位二进制数相加的电路称为加法器,它能解决二进制中1＋1＝10的功能（当然还有 0＋0、0＋1、1＋0）. 【实验原理】 全加器 除本位两个数相加外，还要加上从低位来的进位数，称为全加器。图4为全 加器的方框图。图5全加器原理图。被加数A i 、加数B i 从低位向本位进位C i-1 作 为电路的输入，全加和S i 与向高位的进位C i 作为电路的输出。能实现全加运算 功能的电路称为全加电路。全加器的逻辑功能真值表如表2中所列。 信号输入端信号输出端 A i B i C i S i C i 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1
表2 全加器逻辑功能真值表 图4 全加器方框图 图5 全加器原理图 多位全加器连接可以是逐位进位，也可以是超前进位。逐位进位也称串行进位，其逻辑电路简单，但速度也较低。 四位全加器 如图9所示，四位全加器是由半加器和一位全加器组建而成： 图9 四位全加器原理图 【实验步骤】 (1)建立新工程项目： 打开modelsim软件，进入集成开发环境，点击File→New project建立一
题目：1位全加器的设计 一．实验目的 1.熟悉QUARTUSII软件的使用； 2.熟悉实验硬件平台的使用； 3.掌握利用层次结构描述法设计电路。 二．实验原理 由于一位全加器可由两个一位半加器与一个或门构成，首先设计半加器电路，将其打包为半加器模块；然后在顶层调用半加器模块组成全加器电路；最后将全加器电路编译下载到实验箱，其中ain,bin,cin信号可采用实 验箱上SW0,SW1,SW2键作为输入，并将输 入的信号连接到红色LED管 LEDR0,LEDR1,LEDR2上便于观察，sum,cout 信号采用绿色发光二极管LEDG0,LEDG1来 显示。 三．实验步骤 1.在QUARTUSII软件下创建一工程，工程名为full_adder，芯片名为EP2C35F672C6； 2.新建Verilog语言文件，输入如下半加器Verilog语言源程序； module half_adder(a,b,s,co); input a,b; output s,co; wire s,co; assign co=a & b; assign s=a ^ b; Endmodule 3.保存半加器程序为，进行功能仿真、时序仿真，验证设计的正确性。 其初始值、功能仿真波形和时序仿真波形分别如下所示
4.选择菜单File→Create/Update→Create Symbol Files for current file，创建半加器模块； 5.新建一原理图文件，在原理图中调用半加器、或门模块和输入，输出引脚，按照图1所示连接电路。并将输入ain,bin,cin连接到FPGA的输出端，便于观察。完成后另保存full_adder。 电路图如下 6.对设计进行全编译，锁定引脚，然后分别进行功能与时序仿真，验证全加器的逻辑功能。其初始值、功能仿真波形和时序仿真波形分别如下所示
一.课程设计的目的： 1、学习并了解MATLAB软件。 2、尝试用Simulink建模。 3、实现对数字电路的防真设计。 4、利用全加器电路创建四位二进制加法器。 二.课程设计题目描述及要求： 利用所学的数字电路的基本知识和MUTLAB软件中Simulink的应用学习，完成对数字电路的仿真设计。用各种各样的组合逻辑电路设计全加器，输出曲线，再利用全加器设计电路创建四位二进制加法器电路图，给出输出。 三．MATLAB软件简介： MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的一套高性能的数值计算可视化软件，集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体。MATLAB是由Matrix 和Laboratory单词的前三个字母组合而成的，其含义是矩阵实验室。 Simulink是MATLAB最重要的组件之一，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。它支持线性和非线性系统，连续时间、离散时间，或者两者的相结合的仿真，而且系统是多进程的。Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，它把MATLAB的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块连接起来就可以实现所需要的仿真功能。Simulink仿真应用于数字电路、数字信号处理、通信仿真、电力系统仿真、宇航仿真等领域。由于数字系统中高低电平分别用0和1表示，因此数字电路问题往往可以转化为一个数字上的逻辑问题。MATLAB提供了逻辑运算模块和各种触发器模块，可以方便的进行数字电路的设计和仿真。借助于组合电路仿真常用模块Logic and Bit Operations子库中的Local Operator模块，将其拖到所建的untitled窗口中，然后鼠标左键双击该模块弹出的Block Parameters/Logical Operator对话框，按Operator栏后的黑三角来选择所需要的门电路标识符，如：AND、OR、NAND、NOR、XOR、NOT中的一个，并依次设置所需的输入、输出端子个数，之后按OK 键确定。利用这些基本门电路组成加法器逻辑电路。 四．课程设计的内容： 1、1位全加器的设计。 所谓全加器，就是带进位输入和进位输出的加法器。1位全加器有3个输入，分别是加
实验2 4位二进制加法器的设计 2．1 实验目的 进一步熟悉Quartus Ⅱ的基本操作方法，并利用原理图输入设计方法设计简单组合电路，掌握层次化设计的方法，通过4位全加器的设计掌握利用EDA 工具进行电子系统设计的流程。 2．2 原理提示 一个4位二进制加法器可以由4个全加器构成，各全加器之间的进位以串行方式实现，即将低位的进位输出CO 与相邻的高一位全加器的进位位Ci 相连，最低进位位接“0”。实验原理图如下。 2．3实验内容 采用Quartus Ⅱ基于图形的设计方法，在实验1的基础上，按层次化结构实现4位全加器的设计。完成原理图输入、编译、进行波形仿真验证。（仿真时要对所有输入、输出端进行）。 2．4实验步骤 （1） 为本项设计任务建立工程。 启动Quartus Ⅱ，新建一个工程，有关操作如下图。 将实验1中已设计好的原理图文件fualladd.bdf 拷贝到D:\0501\exp2下。在实验1中fualladd.bdf 是顶层设计文件，而在本实验中，fualladd.bdf 将作为底层设计文件使用。 ∑C i C o ∑C i C o ∑C i C o a 0b 0a 1b 1a 2b 2a 3b 3s 0s 1s 2s 3c o ∑C i C o 0
建立本工程的顶层设计。点击“File/New”→“Block Diagram/Schematic File”→“OK”，将Block1.dbf 另存为add4. dbf。add4. dbf是本工程的顶层设计文件。 （2）点击“File / Open…”将fualladd.bdf 文件打开。 （3）将fualladd.bdf制作成一个符号块，以便在add4. dbf中调用。点击“File / Create/Update / Create Symble Files For Currenf Fils”，弹出对话框（文件名一栏应出现fualladd.bsf），点击“保存”。于是，生成全加器的符号块文件fualladd.bsf。 （4）在add4. dbf的绘图区放置全加器符号。右击add4. dbf的绘图区，弹出浮动菜单，选择“Insert / Symbol…”弹出如下对话框：(在实验1中是怎样放置一个符号的？在这里也能用吗？试试看) 按图操作。结果在add4. dbf的绘图区放置了一个全加器符号。 （5）完成顶层设计。 按下图操作，完成4位二进制加法器的设计。存盘。 操作说明： 符号的旋转 右击待旋转的符号，弹出浮动菜单，选择“Rotate by Degrees / 90”可反时针旋转90°。
设计示例4：32位先行进位加法器的设计 1、功能概述： 先行进位加法器是对普通的全加器进行改良而设计成的并行加法器，主要是针对普通全加器串联时互相进位产生的延迟进行了改良。超前进位加法器是通过增加了一个不是十分复杂的逻辑电路来做到这点的。 设二进制加法器第i位为A i，B i，输出为S i，进位输入为C i，进位输出为C i+1，则有：S i=A i⊕B i⊕C i （1-1） C i+1 =A i * B i+ A i *C i+ B i*C i =A i * B i+（A i+B i）* C i（1-2） 令G i = A i * B i , P i = A i+B i，则C i+1= G i+ P i *C i 当A i和B i都为1时，G i = 1，产生进位C i+1 = 1 当A i和B i有一个为1时，P i = 1，传递进位C i+1= C i 因此G i定义为进位产生信号，P i定义为进位传递信号。G i的优先级比P i高，也就是说：当G i = 1时（当然此时也有P i = 1），无条件产生进位，而不管C i是多少；当G i=0而P i=1时，进位输出为C i，跟C i之前的逻辑有关。 下面推导4位超前进位加法器。设4位加数和被加数为A和B，进位输入为C in，进位输出为C out,对于第i位的进位产生G i = A i·B i ,进位传递P i=A i+B i , i=0,1,2,3。于是这各级进位输出，递归的展开Ci，有： C0 = C in C1=G0 + P0·C0 C2=G1 + P1·C1 = G1 + P1·G0 + P1·P0?C0 C3=G2 + P2·C2 = G2 + P2·G1 + P2·P1·G0 + P2·P1·P0·C0 C4=G3 + P3·C3 = G3 + P3·G2 + P3·P2·G1 + P3·P2·P1·G0 + P3·P2·P1·P0·C0 （1-3） C out=C4 由此可以看出，各级的进位彼此独立产生，只与输入数据Ai、Bi和Cin有关，将各级间的进位级联传播给去掉了，因此减小了进位产生的延迟。每个等式与只有三级延迟的电路对应，第一级延迟对应进位产生信号和进位传递信号，后两级延迟对应上面的积之和。实现上述逻辑表达式（1-3）的电路称为超前进位部件（Carry Lookahead Unit），也称为CLA 部件。通过这种进位方式实现的加法器称为超前进位加法器。因为各个进位是并行产生的，所以是一种并行进位加法器。 从公式（1-3）可知，更多位数的CLA部件只会增加逻辑门的输入端个数，而不会增加门的级数，因此，如果采用超前进位方式实现更多位的加法器，从理论上讲，门延迟不变。但是由于CLA部件中连线数量和输入端个数的增多，使得电路中需要具有大驱动信号和大扇入门，这会大大增加门的延迟，起不到提高电路性能的作用。因此更多位数的加
实验2 四位加法器 一、实验工具：计算机：PC，操作系统：Windows XP 主要软件：QuartusⅡ7.0 二、实验目的： ◆能对两个1位二进制数进行相加而求得和及进位的逻辑电路称为半加器。 ◆能对两个1位二进制数进行相加并考虑低位来的进位，即相当于3个1位二进制数 的相加，求得和及进位的逻辑电路称为全加器。 ◆实现多位二进制数相加的电路称为加法器。按照进位方式的不同，加法器分为串行 进位加法器和超前进位加法器两种。串行进位加法器电路简单、但速度较慢，超前进位加法器速度较快、但电路复杂。 ◆加法器除用来实现两个二进制数相加外，还可用来设计代码转换电路、二进制减法 器和十进制加法器等。 二、设计与仿真过程： 完成四位加法器的文本编辑： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY plus IS PORT ( a,b: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); cin: IN STD_LOGIC; s: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); cout: OUT STD_LOGIC); END ENTITY plus; ARCHITECTURE behav OF plus IS SIGNAL number :STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGIN number <= a+b+cin; cout <= number(4); s <= number(3 DOWNTO 0); END behav;
湖南师范大学职业技术学院（工学院）实验数据报告单 实验课程：计算机组成原理 实验题目：超前进位加法器设计 实验日期： 2011年 10 月 25 日 专业：计算机科学与技术年级：09级班级:04班姓名：涂小康学号：2009180414 一．实验目的 （1）掌握超前进位加法器的原理及其设计方法。 （2）熟悉CPLD应用设计及EMA软件的使用。 二．实验内容 （1）设计电路原理图. （2）了解加法器的工作原理，掌握超前进位产生电路的设计方法. （3）正确将电路原理图下载到试验箱中. （4）正确通过实验箱连线实现4位二进制数的相加并得到正确结果 三.实验原理 加法器是执行二进制加法运算的逻辑部件，也是CPU运算器的基本逻辑部件（减法可以通过补码相加来实现）。加法器又分半加器和全加器，不考虑低位的进位，只考虑两个二进制数相加，得到和以及向高位进位的加法器叫半加器，而全加器是在半加器的基础上又考虑了低位进来的进位信号。 串行加法器运算速度慢，其根本原因是每一位的结果就要依赖于低位的进位，因而可以通过并行进位的方式来提高效率。只要能设计出专门的电路，使得每一位的进位能够并行地产生而与低位的运算情况无关，就能解决这个问题。可以对加法器进位的逻辑表达式做进一步的推导： C o=0 C i+1=A i B i+A i C i+B i C i=A i B i+(A i+B i)C i 设 G i=A i B i P i=A i+B i 则有： C i+1=g i+p i C i =g i+p i(g i-1+p i-1C i-1) =g i+p i(g i-1+p i-1(g i-2+p i-2C i-2)) … =g i+p i g i-1+p i p i-1g i-2+…+p i p i-1… p1p0+p i p i-1…p1p0C0 由于g i、p i只和A i、B i有关，这样C i=1就只和A i、A i-1、…、A0，B i、B i-1、…、B0及C0有关。所以各位的进位C i、C i-1…、C1就可以并行产生，这种进位就叫超前进位。 根据上面的推导，随着加法器位数的增加，越是高位的进位逻辑电路就会越复杂，逻辑器件使用也就越多。事实上我们可以继续推导进位的逻辑表达式，使得某些基本逻辑单元能够复用，且能照顾到进位位的并行产生。 定义：G i,j=g i+P i g i-1+p i p i-1g i-2+…+p i p i-1…p j+1g j P i,j=p i p i-1…p j+1p j 则有 G i,j=g i P i,j=p i
实验四：8位加法器设计实验 1.实验目的：熟悉利用quartus原理图输入方法设计简单组合电路，掌握层次化设计方法。 2.实验原理：一个八位加法器可以由八个全加器构成，加法器间的进位可以串行方式实现，即将低位加法器的进位输出cout与相邻的高位加法器的最低进位输入信号cin相接。 3.实验任务：完成半加器，全加器，八位加法器设计，使用例化语句，并将其设计成一个原件符号入库，做好程序设计，编译，程序仿真。 1）编译成功的半加器程序： module h_adder(a,b,so,co); input a,b; output so,co; assign so=a^b; assign co=a&b; endmodule 2）编译成功的全加器程序： module f_adder(ain,bin,cin,cout,sum); output cout,sum;input ain,bin,cin; wire net1,net2,net3; h_adder u1(ain,bin,net1,net2); h_adder u2(.a(net1),.so(sum),.b(cin),.co(net3));
or u3(cout,net2,net3); endmodule 3）编译成功的八位加法器程序： module f_adder8(ain,bin,cin,cout,sum); output [7:0]sum; output cout;input [7:0]ain,bin;input cin; wire cout0, cout1, cout2 ,cout3, cout4,cout5,cout6; f_adder u0(.ain(ain[0]),.bin(bin[0]),.cin(cin),.sum(sum[0]) ,.cout(cout0)); f_adder u1(.ain(ain[1]),.bin(bin[1]),.cin(cout0),.sum(sum[1 ]),.cout(cout1)); f_adder u2(.ain(ain[2]),.bin(bin[2]),.cin(cout1),.sum(sum[2 ]),.cout(cout2)); f_adder u3(.ain(ain[3]),.bin(bin[3]),.cin(cout2),.sum(sum[3 ]),.cout(cout3)); f_adder u4(.ain(ain[4]),.bin(bin[4]),.cin(cout3),.sum(sum[4
加法器数字逻辑实验报告 一、实验目的 1．熟悉Quartus II软件的基本操作，了解各种设计方法（原理图设计、文本设计、波形设计） 2．用VHDL语言设计一个加法器。 3．用VHDL语言设计串行加法器、并行加法器。 二、实验内容 1、熟悉QuartusⅡ软件的基本操作，了解各种设计输入方法 （原理图设计、文本设计、波形设计） 2、用VHDL语言设计加法器、串行全加器、并行全加器，再利 用波形编辑区进行逻辑功能仿真，以此验证电路的逻辑功能 是否正确，最终在FPGA芯片上下载验证逻辑实现。三、实验原理 1．全加器 用途：实现一位全加操作 逻辑图 真值表 X Y CIN S COUT
0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 VHDL程序 数据流描述： 波形图
2．四位串行加法器逻辑图 波形图
3．74283：4位先行进位全加器（4-Bit Full Adder） 逻辑框图 逻辑功能表 注：1、输入信号和输出信号采用两位对折列表，节省表格占用的空间，如：[A1/A3]对应的列取值相同，结果和值[Σ1/Σ3]对应的运算是Σ1=A1+B1和Σ3=A3+B3。请自行验证一下。 2、C2是低两位相加产生的半进位，C4是高两位相加后产
生的进位输出，C0是低位级加法器向本级加法器的进位输入。四、实验方法与步骤 实验方法： 采用基于FPGA进行数字逻辑电路设计的方法。 采用的软件工具是QuartusII软件仿真平台，采用的硬件平台是Altera EPF10K20TI144_4的FPGA电路板。 实验步骤： 1、建立工程project，并命名顶层文件为JFQ，按照实验箱上 FPGA的芯片名更改编程芯片的设置。操作是点击Assignment/Device,选取芯片的类型。选择“FLEX10K—— EPF10K20TI144_4” 2、编写VHDL源代码。打开QuartusⅡ软件平台，点击File中得 New建立一个VHDL文件。编写的文件名与实体名一致且为JFQ。VHDL如下：
CMOS数字集成电路设计课程设计报告 学院：****** 专业：****** 班级：****** 姓名：Wang Ke qin 指导老师：****** 学号：****** 日期：2012-5-30
目录 一、设计要求 (1) 二、设计思路 (1) 三、电路设计与验证 (2) (一)1位全加器的电路设计与验证 (2) 1)原理图设计 (2) 2)生成符号图 (2) 3)建立测试激励源 (2) 4)测试电路 (3) 5)波形仿真 (4) (二)4位全加器的电路设计与验证 (4) 1)原理图设计 (4) 2)生成符号图 (5) 3)建立测试激励源 (5) 4)测试电路 (6) 5)波形仿真 (6) (三)8位全加器的电路设计与验证 (7) 1)原理图设计 (7) 2)生成符号图 (7) 3)测试激励源 (8) 4)测试电路 (8) 5)波形仿真 (9) 6)电路参数 (11) 四、版图设计与验证 (13) (一)1位全加器的版图设计与验证 (13) 1)1位全加器的版图设计 (13) 2)1位全加器的DRC规则验证 (14) 3)1位全加器的LVS验证 (14) 4)错误及解决办法 (14) (二)4位全加器的版图设计与验证 (15) 1)4位全加器的版图设计 (15) 2)4位全加器的DRC规则验证 (16) 3)4位全加器的LVS验证 (16) 4)错误及解决办法 (16) (三)8位全加器的版图设计与验证 (17) 1)8位全加器的版图设计 (17) 2)8位全加器的DRC规则验证 (17) 3)8位全加器的LVS验证 (18) 4)错误及解决办法 (18) 五、设计总结 (18)
1.课程设计名称 四位超前进位加法器 2.课程设计内容 设计一个四位加法器，要求要有超前进位，减小输出的延迟，采用0.13um 工艺设计。 3.课程设计目的 训练学生综合运用学过的数字集成电路的基本知识，独立设计相对复杂的数字集成电路的能力。 4.课程设计要求 4.1、按设计指导书中要求的格式书写，所有的内容一律打印； 4.2、报告内容包括设计过程、仿真的HSPICE网表，软件仿真的结果及分析、延时的手工计算； 4.3、要有整体电路原理图，仿真的波形图； 4.4、软件仿真必须要有必要的说明；要给出各个输入信号的具体波形和输出信号的测试结果。 4.5、写出对应的HSPICE设计网表，网表仿真结果符合设计要求。把仿真图形附在报告上。 4.6、设输入端的电容为C ，输出端的负载电容为5000C inv，从输入到输出任意找一通 inv 路，优化通路延时，手工计算确定通路中每个门对应的晶体管的尺寸。每组三个同学选择不能为同一通路。此部分的计算参数可采用书中第六章的参数。 4.7、各种器件的具体结构可参考阎石的《数字电子技术基础》一书。不允许有完全一样的报告，对于报告完全相同者，记为不及格。 5.使用软件 软件为HSPICE和COSMOS-SCOPE。 6.课程设计原理 由全加器的真值表可得S i和C i的逻辑表达式：
定义两个中间变量G i和P i： 当A i＝B i＝1时，G i＝1，由C i的表达式可得C i＝1，即产生进位，所以G i 称为产生量变。若P i＝1，则A i·B i＝0，C i＝C i-1，即P i＝1时，低位的进位能传送到高位的进位输出端，故P i称为传输变量，这两个变量都与进位信号无关。将G i和P i代入S i和C i得： 进而可得各位进位信号的逻辑表达如下： 根据逻辑表达式做出电路图（如图）：