用VHDL語言創(chuàng)建一個(gè)8位算術(shù)邏輯單元(ALU)

來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自allaboutcircuit，謝謝。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們用 VHDL 語言創(chuàng)建一個(gè) 8 位算術(shù)邏輯單元 (ALU)，并在連接到帶有輸入開關(guān)和 LED 顯示屏的定制 PCB 的 Altera CPLD 開發(fā)板上運(yùn)行。

使用基于硬件的方法開發(fā)電子系統(tǒng)并不總是需要將各種晶體管和邏輯門物理連接到面包板或 PCB 上。可以使用離散邏輯構(gòu)建算術(shù)邏輯單元（ALU），但隨著邏輯復(fù)雜性的增加，有更好的選擇。通過可編程邏輯器件和硬件描述語言（HDL），從簡單電路到高度專業(yè)化的處理單元的任何東西都可以在單個(gè)芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

ALU項(xiàng)目概述

在這個(gè)項(xiàng)目中，我將逐步創(chuàng)建帶有輸入 DIP 開關(guān)和輸出 LED 的 8 位 ALU 電路，如圖 1 所示。我使用 VHDL 語言對 ALU 進(jìn)行編碼，并在復(fù)雜可編程邏輯器件上運(yùn)行它（ CPLD）開發(fā)板。我的目標(biāo)是介紹可編程邏輯，并為使用真實(shí)硬件而不僅僅是圖表和計(jì)算機(jī)模擬打開大門。

對于此項(xiàng)目，我構(gòu)建了帶有 All About Circuits 品牌的定制印刷電路板 (PCB)，如圖 2 所示。與更知名的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA ) 相比，CPLD 是一種更實(shí)惠但功能稍弱的可編程邏輯器件）。這兩種器件均可用于創(chuàng)建具有專用輸入和輸出的定制電子設(shè)計(jì)。

在內(nèi)部，這些 CPLD 和 FPGA 組件包含可重新配置邏輯塊陣列，并封裝為獨(dú)立 IC，以便嵌入到您自己的設(shè)計(jì)中。制造商提供開發(fā)板，用于使用其技術(shù)和軟件環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)、測試和實(shí)驗(yàn)。我的 CPLD 使用了開發(fā)板。

什么是 ALU？

每個(gè)處理器的核心都有一個(gè)組合邏輯電路，它對整數(shù)二進(jìn)制數(shù)執(zhí)行算術(shù)和按位運(yùn)算，稱為算術(shù)邏輯單元。我們將在這個(gè)項(xiàng)目中構(gòu)建的電路是一個(gè) 8 位 ALU，它包含兩個(gè) 8 位操作數(shù)（輸入）、一個(gè) 8 位結(jié)果（輸出）和一個(gè) 4 位操作碼（輸入），該操作碼定義將執(zhí)行什么操作（圖3）

ALU 通常包含狀態(tài)位（既作為輸入又作為輸出），為處理器提供有關(guān)上次執(zhí)行操作的重要信息。該狀態(tài)信息可以包括結(jié)果是否為零或者結(jié)果是否溢出到最高有效位（MSB）之外。然而，我們的電路不需要它們，因此不會包含任何它們。

ALU 為學(xué)習(xí) VHDL 編碼和 CPLD 編程操作提供了一個(gè)極好的起點(diǎn)。完成此項(xiàng)目后，您可以輕松擴(kuò)展到更困難的應(yīng)用程序。

項(xiàng)目詳情和參考資料

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將用VHDL語言創(chuàng)建一個(gè)8位算術(shù)邏輯單元（ALU），并使用Intel的Quartus Prime Lite Edition軟件（Altera現(xiàn)已成為Intel的一部分）在Altera Max II EPM240 CPLD開發(fā)板上運(yùn)行它。該電路的代碼基于加州大學(xué)河濱分校發(fā)布的實(shí)驗(yàn)室練習(xí)設(shè)計(jì)。

對于這個(gè)項(xiàng)目，您需要對編程和離散邏輯有基本的理解。查看AAC 對 VHDL和4 位離散邏輯 ALU 項(xiàng)目的介紹也會有所幫助。

注意：雖然我創(chuàng)建了一個(gè)用于該項(xiàng)目的“屏蔽”型板，但這里介紹的所有內(nèi)容都完全適合面包板和穿孔板。

使用 Quartus Prime 為 Altera MAX II 開發(fā)板設(shè)置新項(xiàng)目

要開始處理我們的項(xiàng)目，我們需要下載并安裝 Quartus Prime Lite Edition 并創(chuàng)建一個(gè)文件夾來存儲所有項(xiàng)目。我從Intel的網(wǎng)站下載了該軟件，并在“Windows Documents”目錄中創(chuàng)建了一個(gè)名為“quartus”的文件夾。

當(dāng)我們運(yùn)行 Quartus 時(shí)，我們需要做的第一件事是通過“New Project Wizard”建立一個(gè)新項(xiàng)目，該向?qū)Э梢栽凇癋ile -> New Project Wizard”下找到。然后，我們需要在名為“簡介”的第一個(gè)屏幕上單擊“下一步”。

如圖 4 所示，在名為“目錄、名稱、頂級實(shí)體”的第二個(gè)屏幕上，我們需要選擇之前創(chuàng)建的文件夾作為工作目錄，并為當(dāng)前項(xiàng)目指定適當(dāng)?shù)拿Q。我將這個(gè)項(xiàng)目命名為“ALU”。

對于“項(xiàng)目類型”屏幕，我們需要選擇“空項(xiàng)目”并將下一個(gè)名為“添加文件”的屏幕保留為空（圖 5）。

在“Family, Device & Board Settings”屏幕上，我們需要從“Device family”部分的下拉菜單中選擇“MAX II”（圖 6）。然后，從“Available devices”部分中選擇“EPM240T100C5”，因?yàn)檫@是 Altera MAX II EPM240 上的芯片。

接下來，我們需要在“EDA Tool Settings”屏幕上將“Verilog HDL”更改為“VHDL”，單擊“下一步”，并檢查“Summary”中的一切是否正確（圖7）。之后，我們可以單擊“完成”按鈕，我們的新項(xiàng)目將被創(chuàng)建。

該項(xiàng)目打開后，我們需要在“項(xiàng)目導(dǎo)航器：層次結(jié)構(gòu)”窗口中單擊實(shí)體的名稱，然后按“CTRL+N”并選擇“VHDL 文件”來創(chuàng)建一個(gè)新的 VHDL 文件。

該文件打開后，我們必須通過進(jìn)入“文件 -> 另存為”將其另存為實(shí)體的 VHDL 文件。當(dāng)所有這些完成后，我們就可以開始為 ALU 編寫代碼了。

聲明 VHDL 庫

與所有編程語言一樣，我們需要在 VHDL 代碼頂部做的第一件事是聲明將在項(xiàng)目中使用的庫。

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.ALL;

USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;

USE ieee.std_logic_arith.ALL;

現(xiàn)在我們需要設(shè)計(jì)電路的架構(gòu)或行為。我們將使用三個(gè)輸入或端口A、B和Sel創(chuàng)建一個(gè)流程。

在此過程中，我們可以調(diào)用“case-when”語句（類似于其他編程語言中的“switch-case”），在其中檢查端口SEL的狀態(tài)。SEL值是 ALU 的操作碼，決定在端口A和B接收的兩個(gè) 8 位數(shù)字之間需要執(zhí)行哪個(gè)操作。

這是在語句的“when XXXX =>”部分完成的，其中XXXX代表SEL的二進(jìn)制狀態(tài)（0000 到 1111 之間的位置）。每個(gè)狀態(tài)都分配給使用端口A和B上接收到的值執(zhí)行的相應(yīng) ALU 操作。輸出在端口RES上寫出。

之后，我們可以結(jié)束“case”語句、流程和行為架構(gòu)，并結(jié)束我們項(xiàng)目的代碼部分。

ARCHITECTURE behv OF alu IS

BEGIN

PROCESS (A, B, Sel)

BEGIN

CASE Sel IS

WHEN "0000" =>

RES <= "00000000"; -- no operation

WHEN "0001" =>

RES <= A + B; -- addition

WHEN "0010" =>

RES <= A + (NOT B) + 1; -- subtraction

WHEN "0011" =>

RES <= A + 1; -- add one to operand A

WHEN "0100" =>

RES <= A - 1; -- subtract one from operand A

WHEN "0101" =>

RES <= A(6 DOWNTO 0) & '0'; -- shift operand A to the left

WHEN "0110" =>

RES <= '0' & A(7 DOWNTO 1); -- shift operand A to the right

WHEN "0111" =>

RES <= NOT A; -- one's complement of operand A

WHEN "1000" =>

RES <= NOT A + 1; -- two's complement of operand A

WHEN "1001" =>

RES <= A AND B; -- logical and

WHEN "1010" =>

RES <= A OR B; -- logical or

WHEN "1011" =>

RES <= A NAND B; -- logical nand

WHEN "1100" =>

RES <= A NOR B; -- logical nor

WHEN "1101" =>

RES <= A XOR B; -- logical xor

WHEN "1110" =>

RES <= (NOT A) + (NOT B); -- random operation

WHEN "1111" =>

RES <= (A + B) AND (A OR B); -- another random operation

WHEN OTHERS =>

RES <= "00000000";

END CASE;

END PROCESS;

END behv;

在上面的代碼中，我包含了一些最常見的算術(shù)和邏輯運(yùn)算以及一些隨機(jī)運(yùn)算，并對它們各自的作用進(jìn)行了評論。在這里您可以替換并包含您想要的任意算術(shù)或邏輯運(yùn)算！

引腳映射

當(dāng)我們的代碼完成后，我們需要做的第一件事就是編譯它。這可以通過進(jìn)入“處理 -> 開始編譯”來完成。如果一切都正確編譯，我們不應(yīng)該收到任何錯(cuò)誤消息，盡管我們可能會收到一些可以忽略的警告。

接下來，我們需要將之前為實(shí)體定義的端口連接到 Altera 開發(fā)板上的物理引腳。我們將通過 Quartus 的 Pin Planner 工具來完成此操作，該工具可通過“Assignments -> Pin Planner”訪問。

引腳規(guī)劃器工具包含：

所用芯片（本例中為 EPM240）的直觀表示。

描述每種引腳類型的引腳圖例。

包含來自我們實(shí)體端口的每個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)的表。在此表中，我們可以通過將每個(gè)節(jié)點(diǎn)寫到“位置”列的相應(yīng)行中，將其連接到專用引腳。

表 1 包含我生成的引腳分配表。

將代碼上傳到 Altera 開發(fā)板

將每個(gè)輸入和輸出分配給引腳后，我們需要再次編譯代碼。如果沒有彈出錯(cuò)誤消息，我們可以繼續(xù)將其上傳到Altera MAX II。

為此，我們首先必須通過板載桶形插孔將板本身連接到 5 V 電源。接下來，我們必須通過JTAG端口將其連接到 USB Blaster，然后使用迷你 USB 插孔將 USB Blaster 連接到我們的計(jì)算機(jī)（圖 8）。

之后，我們可以通過進(jìn)入“工具->編程器”并選中“編程/配置”來運(yùn)行編程器，如圖9所示。然后我們需要打開“硬件設(shè)置”并選擇“USB Blaster”作為我們的“可用硬件” item”（我們的程序員），然后單擊“Start”將我們的代碼上傳到 Altera MAX II。

PCB電路圖

圖 10 的原理圖描繪了我們的電路圖。每個(gè) LED 通過限流電阻連接到輸出引腳。連接到輸入引腳的 DIP 開關(guān)的每個(gè)觸點(diǎn)也通過電阻網(wǎng)絡(luò)下拉至地面（在定制 PCB 上，這些觸點(diǎn)隱藏在 DIP 開關(guān)下方）。

連接完所有內(nèi)容并為 Altera 板供電 5 V 后，我們可以通過在操作數(shù)端口上輸入數(shù)字并將操作模式切換到我們喜歡的任何操作來看到 ALU 開始工作。LED 顯示結(jié)果，如上圖 1 所示。

ALU 項(xiàng)目的 BOM

表 2 包含該項(xiàng)目的材料清單。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們用VHDL語言創(chuàng)建了一個(gè)8位ALU電路，并在CPLD開發(fā)板上運(yùn)行它。在這里，我的目標(biāo)是介紹可編程邏輯，并為使用真實(shí)硬件組件而不是圖表和計(jì)算機(jī)模擬來使用 FPGA 組件打開大門。

如果您復(fù)制此項(xiàng)目，您可以輕松地將其他操作碼添加到 ALU 的 VHDL 操作中。您還可以修改電路設(shè)計(jì)以輸出和顯示狀態(tài)代碼。在下面的評論中分享您的想法或項(xiàng)目！

審核編輯：湯梓紅