基于Quartus II的运算器的设计与实现（修改稿）

基于Quartus II的运算器的设计与实现

成 耀，王礼春，顾 晖

（南通大学计算机科学与技术学院，江苏 南通226019）

【摘 要】 本文借助于Quartus II软件在计算机上仿真制作了具有简单运算功能的运算器，由此我们一方面可以了解电路仿真的主要流程，另一方面可以验证运算器的功能。

【关键词】 Quartus II EDA 运算器 仿真

0引言

电路设计对于电子信息类专业的学生而言是十分重要的，它是将理论知识运用于实践的一个重要途径。它对巩固课堂教学内容，提高学生的动手能力具有重要作用。但对于一些比较复杂的实验，学生要用大量的时间和精力进行电路连接和线路检查，常常是事倍功半，实验效果不是很理想。将计算机模拟引入到实验教学中，既可以使学生随时进行实验，又可以直接获取结果，增加学生的感性认识。而且计算机模拟仿真让设计变得更易实现，这不仅节约了经济上的开销，还节约了大量的时间与精力。这里介绍的Quartus II可以弥补原先许多数字芯片和线路连接的繁琐步骤和手工操作，使原先复杂的实现过程变得容易理解与掌握，而且还能帮助学生更快、更好地掌握课堂理论内容，加深对概念原理的

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理解，进一步培养学生的综合设计能力、排除故障能力和创新能力。

本文借助Quartus II6.0现有的器件，设计了一个运算器，使用Quartus II6.0完成仿真，并通过仿真波形展示该运算器是如何实现运算器功能的。 1 用Quartus II做电路设计实验的优点

Quartus II6.0是由美国Altera公司开发的，是一款功能比较强的EDA工具软件，它的优势主要体现在其功能齐全，方便简单。具有可编程系统(SOPC)设计的综合性环境，也

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是适合SOPC的最全面的设计环境。它拥有现场可编程阵列（FPGA）和复杂可编程器件（CPLD）设计的所有阶段的解决方案。它的简单易用，方便快捷，给设计者减少了难度，

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节约了很多时间 。

为了改变延续多年的“实验内容单一，实验设备陈旧，实验时间受限，实验效果差[4]

”的状况，考虑到学校机房有许多时间向学生开放，另外考虑到许多学生自己有电脑，我们选用了Quartus II。Quartus II功能强大、界面友好、易于掌握，彻底改变了传统的实验教学模式，实验具有开放性、可编程性强、设计空间大、时间灵活等特点，并具有较高的实验效率。它可以培养学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力，增强学生对实验的浓厚兴趣，提高实践教学的质量。其显著特点如下：

开放性好：学生可以在机房的开放时间进行实验，也可以在自己宿舍里的电脑上做实验；学生可以在实验课之前预习，也可以在实验课之后进行复习；优秀学生可以进行提高训练，来不及的和不会的学生可以在课后进行补差练习；相关课程结束后，感兴趣的学生也可以在此方面继续钻研。

可操作性强：对提高学生的动手能力，加强学生对计算机整体和各组成部分的理解，增强学生计算机系统综合设计能力都有很大帮助。

实验内容安排合理：实验能够与理论教学紧密结合，实验内容由简到繁，由浅入深，循序渐进，使学生在课堂上学到的理论知识在实验中得到验证。

实验结果直观：实验平台采用的是QuartusII，使用方便，操作简单，实验结果学生一目了然。

实验内容有趣：实验内容紧扣教学内容，通过实验让学生更直观地理解书本知识，改变了以往学生认为做实验没意思的状况，使学生做实验的兴趣越来越浓厚。 2运算器的设计

一个简单的运算器由ALU (两片74181)，数据寄存器DR1,DR2（两片74273）以及数据

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缓冲器ALU_BUF (一片74244)构成，它们可以完成DR1与DR2的运算，具体的运算功能

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请见下面的功能表。 正 逻 辑 S3 S2 S1 S0 M=H 逻辑 运算 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 A A?B—M=L算术运算 Cn=1 A A+B A+B 减1 A加AB (A+B) 加AB A减B减1 AB减1 A加AB A加B (A+B)加AB AB减1 A加A (A+B)加A (A+B)加A A减1 ——————Cn=0 A加1 （A+B）加 1 （A+B）加 1 0 A加AB加1 (A+B)加AB加1 A减B AB A加AB加1 A加B加1 (A+B)加AB加1 AB A加A加1 (A+B)加A加1 (A+B)加A加1 A —————— —AB 0 AB— B —A⊕B AB A+B A?B— B AB 1 A+B A+B A —2.1运算器的各个输入控制端口如下: a)控制端S0～S3, 组合控制运算器执行不同的运算，如:1001时可以执行加（控制端M为低电平，控制端CN0时为高电平时有效）。

b)控制端M，高电平时控制运算器执行算术运算，低电平时控制运算器执行逻辑运算。

c)控制端N_AU(与N_IN互斥使用)，运算器部件输出运算结果传送总线的使能端（注：为了方便和以后设计的其它计算机部件连接，我们在这里设置了总线）；

d)控制端N_IN(与N_ALU互斥使用),输入数据传送总线的使能端；

e)控制端LDDR1，数据寄存器DR1的时钟使能信号，上升沿到来时触发； f)控制端LDDR2，数据寄存器DR2的时钟使能信号，上升沿到来时触发； g)时钟信号CLK1,用来产生运算器部件所需的时钟信号；

h)控制端CN0，运算器的低位进位端。低电平为有进位，高电平时为无进位（注：只有在算术运算是有效）；

2.2运算器部件的各个输出端口如下:

a)DR1_OUT0～DR1_OUT7，数据寄存器DR1的显示灯； b)DR2_OUT0～DR2_OUT7, 数据寄存器DR2的显示灯；

c)BUS0～BUS7，总线的数据显示灯；

d)CN8_ALU；运算器的高位进位端。高电平为有进位，低电平时为无进位； 2.3运算器部件的总体结构图

该运算器部件的总体结构图如图（1）所示，主要显示各器件之间的连接关系。

3运算器的实现

3.1新建项目

我们首先要新建一个项目来管理所要新建的各种文件，方法是：在Quartus Ⅱ环境下，打开菜单File，选择子菜单New Project Wizard后，按照向导窗口的提示，在窗口中正确输入有关的路径名和项目名称后，按下“ Finish”按钮，即可完成项目的新建工作。

3.2原理图输入与编译（创建.bdf文件） 选择File—New,打开“新建”窗口：在“Device Design Files”页，选中“Block Diagram/Schematic File”项后，按下“OK”按钮即可打开原理图编辑器，进行原理图的录入编辑，在进行逻辑图输入时，在编辑区的空白处双击鼠标左键，即可打开标题栏为“Symbol”的窗口：你只需在“Name”标签下的输入框中输入要用到的器件的名称（比如74181、input、output等等），就可以把该器件输入到编辑区中。待线路连接等编辑工作完成后，即可按下“?”按钮进行编译。

3.3创建向量波形文件（创建.vwf文件）

当原理图编译完成后，会出现对话框“Full compilation was successful”，此时就要新建波形文件，以便利用波形文件进行仿真分析。打开新建窗口，选择“Other files”标签，选中“Vector waveform File”一项，按下“OK”按钮，即可新建一个波形文件，双击Name下面的空白区域后出现“Insert Node or Bus”对话框，点击“Node Finder”按钮，在弹出的“Node Finder”对话框Filter中选择“Pins: all”，点击“Start” 按钮，然后在选中下面正中的“》”按钮，点击当前对话框的“OK” 按钮，最后再点击“Insert Node or Bus”对话框的“OK” 按钮即可。

3.4仿真 波形文件创建完毕后，要描绘仿真波形。先给各控制信号、输入信号赋初值，设定每个端口变量的高低电平。若需输入脉冲信号，可右击相应的端口变量，选中快捷菜单“Value”中的“Clock”。设定完成后就可以点击“”进行仿真操作获得仿真结果，最后分析输入输出波形，判断所设计的电路的正确性。

运算器部件的仿真波形如图（2），该图给出了该运算器部件加法的执行过程。DR1和DR2输入的数据分别是24H和45H，S3～S0为9H（即1001）执行不带进位的加法运算，结果为69H。其他的运算操作可调整输入信号进行相应的仿真处理。

4结束语

实验是将理论与实践联系在一起的重要桥梁，通过使用Quartus II对运算器部件的分析，设计，实现仿真等工作，可以充分体验Quartus II在设计上简单易用，便于整合，方便修改等特点。掌握这些基本方法后可以指导我们进行其它的电路设计，同时为进一步学

习使用EDA软件打下良好的基础。

参 考 文 献

[1]覃贵礼,谭呈祥. 用Quartus II实现数字电路实验中的仿真[J]. 南宁师范高等专科学校学报,2005(2):71-73.

[2]郑亚民,许敏. 基于Quartus II的带计时器功能的秒表系统设计[J]. 电子工程师, 2005(01):59-62.

[3]李雪梅. 用Quartu II4.0设计数字电路过程的介绍[J]. 现代电子技术, 2005(06):35-38.

[4] 裘雪红. 计算机组成原理实验指导[EB/OL].

http://202.117.112.23/zcyl/experiment/guide.htm, 2007-6-10/2007-8-26.

[5]王爱英. 计算机组成与结构[M]. 北京：清华大学出版社,2001: 170-172. [6]东南大学计算机学院. ALU部件 [EB/OL].

http://cse.seu.edu.cn/people/xuzaolin/Chapter3/untitled14.html, 2007-5-11/2007-8-23.

Design and Implementation of Arithmetic Unit based on Quartus II

Cheng Yao，Wang Li-chun，Gu Hui

（School of Computer Science & Technology, Nantong University, Jiangsu, China 226019）

Abstract: In this article, the authors design and implementation a arithmetic unit based on

Quartus II. It can help us to learn the main flow of circuit simulation and validate the function of the arithmetic unit.

Key words: Quartus II, EDA, Arithmetic Unit, Simulation

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/punp.html