基于FPGA的一种ALU设计与实现方法

向 明 尚

(东北石油大学 计算机与信息技术学院， 黑龙江 大庆 163318)

计算机系统的核心是中央处理器(CPU)，目前它的设计技术和产品生产仍被国外企业所垄断。我国的企业和高校也在设计实现CPU，但使用的是国外企业授权的CPU架构和指令集，不具备完全的自主知识产权。为突破贸易和技术壁垒，需要尽快设计实现具有完全自主知识产权的CPU等产品。

算术逻辑单元(ALU)是CPU的核心部件之一，它是一种能够完成多种算术和逻辑运算的单元电路，用来执行CPU指令集中的算术和逻辑操作。因此，ALU的设计直接影响到CPU的性能，进而影响整个计算机系统的工作。现基于FPGA技术和微程序设计思想，提出一种ALU设计实现和仿真验证的方法。

1 ALU功能设计

ALU是一个组合逻辑电路，包括算术单元(AU)和逻辑单元(LU)。它通过数据总线从数据寄存器获得数据，通过控制总线接收CPU发出的算数和逻辑运算指令，把指令分解为微指令对应到具体的微操作，完成相应的运算，然后将计算结果保存到存储器，并放到数据总线上。研究发现，通用微处理器的ALU执行的指令都可以使用加、减、与、或、非等基本运算来完成[1]。为了突出ALU的设计实现方法，在此只给出简单的功能设计。其功能如表1所示。

表1 ALU的功能

2 ALU结构设计

ALU的设计主要有3类结构：复合结构、加法器独立结构和链式结构。我们采用加法器独立结构[2-3]进行设计。加法器和逻辑运算部件分开设计。加法器是运算电路的核心，通常处于ALU的关键路径上。加法器的进位关系包括串行进位和并行进位。……