计算逻辑单元（ALU）和存储单元

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知止233

17012人浏览 · 2020-11-15 11:38:32

知止233 · 2020-11-15 11:38:32 发布

计算逻辑单元（ALU）和存储单元
本节参考算术逻辑单元 ALU

一 ALU单元

arithmetic and logic unit 算术逻辑单元，简称ALU，是计算机的数学大脑，也就是计算机里负责运算的组件，比如把两个数相加。基本其他的组件都用到了ALU，它有两个单元一个算术单元，一个逻辑单元。

1 算术单元

算术单元指完成加减基础运算的单元，例如简单的二进制加法运算电路即半加器，器电路原理图如下所示。

在这里插入图片描述

其中 $S U M$ 为加法本位值 $C H E R R Y$ 为进位。
同时可以用两个半加器组合成全加器如下图。
在这里插入图片描述

然后进行封装可以为。
在这里插入图片描述

当很多个全加器叠加起来就可以实现多位的加法，如常见的计算机8位加法运算。
在这里插入图片描述

其他操作,可以使得输入

加法（ADD）
减法（SUBTRACT）
增量+1（INCREMENT）
减量-1（DECREMENT）

2 逻辑单元

顾名思义，逻辑单元在计算机内负责执行逻辑操作。比如之前说的“与”，“或”，“非”，“异或”。另外，它还能做简单的数值测试，比如利用许多个“或门”，来检测一个8位数字是否为“0”：

在这里插入图片描述

它接受两个操作数输入( $I n A ， I n B$ )，以及1个表示要进行的是哪个运算的操作代码(Opcode)，然后输出一个结果 $（ O u t ）$ 。
另外 ALU 还会有各种标志位 $（ f l a g ）$ ，来表示计算的状态。例如：进位标志（ $C a r r y f l a g$ ）表示这次计算有没有进位，0标志（ $Z e r o f l a g$ ）表示这次计算的结果是不是为0，这样就可以方便地判断计算是否溢出，或者两个输入的数是否相等。高级的$ ALU$ 中，会有更多的标志位，可以帮助处理器更快更方便地运算。

软件部分（verilog）

加法
减法
有符号比较，小于置位
无符号比较，小于置位
按位与
按位或非
按位或
按位异或
逻辑左移
逻辑右移
算术右移
高位加载

`timescale 1ns / 1ps
//*************************************************************************
//   > 文件名: alu.v
//   > 描述  ：ALU模块，可做12种操作
//   > 作者  : LOONGSON
//   > 日期  : 2016-04-14
//*************************************************************************
module alu(
    input  [11:0] alu_control, 
    input  [31:0] alu_src1, 
    input  [31:0] alu_src2,
    output   [31:0] alu_result 
    );
    reg [31:0] alu_result;
    wire alu_add;   //加法
    wire alu_sub;   //减法
    wire alu_slt;   //有符号比较，小于置位
    wire alu_sltu;  //无符号比较，小于置位
    wire alu_and;   //按位与
    wire alu_nor;   //按位或非
    wire alu_or;    //按位或 
    wire alu_xor;   //按位异或
    wire alu_sll;   //逻辑左移
    wire alu_srl;   //逻辑右移
    wire alu_sra;   //算数右移
    wire alu_lui;   //高位加载

    assign alu_add  = alu_control[11];
    assign alu_sub  = alu_control[10];
    assign alu_slt  = alu_control[ 9];
    assign alu_sltu = alu_control[ 8];
    assign alu_and  = alu_control[ 7];
    assign alu_nor  = alu_control[ 6];
    assign alu_or   = alu_control[ 5];
    assign alu_xor  = alu_control[ 4];
    assign alu_sll  = alu_control[ 3];
    assign alu_srl  = alu_control[ 2];
    assign alu_sra  = alu_control[ 1];
    assign alu_lui  = alu_control[ 0];

    wire [31:0] add_sub_result; //加减结果，减法用加法来实现
    wire [31:0] slt_result;     //
    wire [31:0] sltu_result;    //
    wire [31:0] and_result;
    wire [31:0] nor_result;
    wire [31:0] or_result;
    wire [31:0] xor_result;
    wire [31:0] sll_result;
    wire [31:0] srl_result;
    wire [31:0] sra_result;     //
    wire [31:0] lui_result;

    wire signed [31:0] temp_src1;   //带符号数的临时变量
    assign temp_src1 = alu_src1;    //方便后面对alu_src1进行算数右移
    
    assign and_result = alu_src1 & alu_src2;        //按位与
    assign or_result  = alu_src1 | alu_src2;        //按位或
    assign nor_result = ~or_result;                 //或非
    assign xor_result = alu_src1 ^ alu_src2;        //异或
    assign lui_result = {alu_src2[15:0], 16'd0};    //高位加载，第二个操作数的低十六位加载到高十六位上
    assign sll_result = alu_src1 << alu_src2;       //逻辑左移
    assign srl_result = alu_src1 >> alu_src2;       //逻辑右移
    assign slt_result = adder_result[31] ? 1'b1 : 1'b0;   // 带符号数小于置位
    assign sltu_result = adder_cout ? 1'b0 : 1'b1;     //无符号数小于置位
    assign sra_result = temp_src1 >>> alu_src2;     //算数右移

    wire [31:0] adder_operand1;
    wire [31:0] adder_operand2;
    wire        adder_cin     ;
    wire [31:0] adder_result  ;
    wire        adder_cout    ;
    assign adder_operand1 = alu_src1; 
    assign adder_operand2 = alu_add ? alu_src2 : ~alu_src2;     //默认进行减法，为slt和sltu服务
    assign adder_cin      = ~alu_add;  //巧妙到我都以为代码有bug
    adder adder_module(     //调用加法模块
    .operand1(adder_operand1),
    .operand2(adder_operand2),
    .cin     (adder_cin     ),
    .result  (adder_result  ),
    .cout    (adder_cout    )
    );
assign add_sub_result = adder_result;

	always@(*)
	begin

        if(alu_add | alu_sub)
            alu_result <= add_sub_result;
            else if(alu_slt)
            alu_result <= slt_result;
            else if(alu_sltu)
            alu_result <= sltu_result;
            else if(alu_and)
            alu_result <= and_result;
            else if(alu_nor)
            alu_result <= nor_result;
            else if(alu_or)
            alu_result <= or_result;
            else if(alu_xor)
            alu_result <= xor_result;
            else if(alu_sll)
            alu_result <= sll_result;
            else if(alu_srl)
            alu_result <= srl_result;
            else if(alu_sra)
            alu_result <= sra_result;
            else if(alu_lui)
            alu_result <= lui_result;
         
	end
endmodule

二存储单元

1 静态存储器SRAM（Static Radom Access Memory）

SRAM主要用于主要用于二级快速缓存(Level2 C ache)。它利用晶体管来存储数据。与DRAM相比，SRAM的速度快，但在同样面积中SRAM的容量要比其它类型的内存小。

大部分FPGA器件採用了查找表（Look Up Table，LUT）结构。查找表的原理类似于ROM，其物理结构是静态存储器（SRAM），N个输入项的逻辑函数能够由一个2^N位容量的SRAM实现，函数值存放在SRAM中，SRAM的地址线起输入线的作用，地址即输入变量值，SRAM的输出为逻辑函数值。由连线开关实现与其它功能块的连接。
在这里插入图片描述

corecells array：存储单元阵列
decode：行列地址译码器
Sense Amplifier：灵敏放大器
conntrol circuit：控制电路
FFIO：缓冲／驱动电路

在图中， $A_{0}-A_{m-1}$ 为地址输入端， $C S B$ 、 $W E B$ 和 $O E B$ 为控制端，控制读写操作，为低电平有效， $I/O_{0}-I/O_{N-1}$ 为数据输入输出端。存储阵列中的每个存储单元都与其他单元在行和列上共享电学连接，当中水平方向的连线称为“字线”，而垂直方向的数据流入和流出存储单元的连线称为“位线”。通过输入的地址可选择特定的字线和位线。字线和位线的交叉处就是被选中的存储单元。每个存储单元都是按这个方案被唯一选中，然后再对其进行读写操作。有的存储器设计成多位数据如4位或8位等同一时候输入和输出，这种话，就会同一时候有4个或8个存储单元按上述方法被选中进行读写操作。

SRAM六管电路结构

在这里插入图片描述

假设准备往图的6T存储单元写入“1”，先将某一组地址值输入到行、列译码器中，选中特定的单元，然后使写使能信号WE有效，将要写入的数据“1”通过写入电路变成“1”和“0”后分别加到选中单元的两条位线BL，BLB上，此时选中单元的WL=1，晶体管N0，N5打开，把BL，BLB上的信号分别送到Q，QB点，从而使Q=1，QB=0，这样数据“1”就被锁存在晶体管P2，P3，N3，N4构成的锁存器中。写入数据“0”的过程类似。
SRAM的读过程以读“1”为例，通过译码器选中某列位线对BL，BLB进行预充电到电源电压VDD，预充电结束后，再通过行译码器选中某行，则某一存储单元被选中，由于其中存放的是“1”，则WL=1、Q=1、QB=0。晶体管N4、N5导通，有电流经N4、N5到地，从而使BLB电位下降，BL、BLB间电位产生电压差，当电压差达到一定值后打开灵敏度放大器，对电压进行放大，再送到输出电路，读出数据。