目录

• 简介
• 一、模块框图
• 二、控制详解
• • 三、辅助输出
  • • 1.零标志
    • 2.进位或借位标志
    • 3.溢出标志
    • 4.符号标志
• 总结

简介

往后几篇文章主要介绍ALU的实现方法。
我们计划设计一个32位的ALU。有两根32位宽的数据输入总线，一根32位宽的数据输出总线。在输入端，我们不准备添加carry in数据输入。
在输出端，我们计划添加四根辅助数据线。四根数据线分别为zero-零标志、carry_out-进位或借位标志、OF-溢出标志、sign-符号标志。
在控制端，我们计划使用4位宽的控制线。控制线的低2位控制ALU在对应模式下的运算方式，2位控制ALU是否处于有符号的运算模式，3位即最高位控制ALU处于四则运算模式还是布尔运算模式。

本篇文章主要介绍ALU的框图、控制和辅助输出。

一、模块框图

这是ALU的主框图，各线含义如下：

备注：

1. 被操作数A、B是否为有符号数不影响operation的2位对ALU是否处于有符号的运算模式的控制。
2. operation的2位不强制影响output的符号位。
3. 当ALU处于无符号运算模式时，OF和sign均强制处于低电平。
4. 当ALU处于有符号运算模式时，carry_out强制处于低电平。

二、控制详解

控制线operation对ALU运算模式和方式的控制可由下表确定。

三、辅助输出

本ALU设置了四根辅助输出数据线，分别为zero-零标志、carry_out-进位或借位标志、OF-溢出标志、sign-符号标志。
以下将详细介绍各辅助输出数据线在ALU不同工作模式、方式下，随输入数据A, B的变化情况。

1.零标志

ALU处于任意工作模式或方式下，当32位主要输出数据总线output各位都为0时，零标志输出高电平，否则输出低电平。
零标志位在ALU处于不同工作模式或方式下代表的意义不同，大致如下表：

2.进位或借位标志

进位或借位标志carry_out仅在ALU处于如下的工作模式及方式时不被强制置为低电平：

1. 四则无符号工作模式中的加法、减法工作方式。对应ALU控制码分别为0000、0001.
2. 布尔工作模式中的小于比较工作方式。对应ALU控制码分别为1010、1110.

以上四种工作方式中，进位或借位标志carry_out被置为高电平的条件如下表：

备注：

1. ALU的控制码为0001时，需要取得B的反码，同时增加一个符号位，故此处使用了33位的加法器。
2. 整体而言A < B的判断方式将在之后的电路实现部分详细说明。

3.溢出标志

溢出标志仅在ALU处于四则有符号工作模式中的加法、减法工作方式时不被强制置为低电平。对应ALU控制码分别为0100、0101.
当ALU控制码为0100时，说明ALU在进行四则有符号加法。OF随输入数据A, B的变化情况如下表：

1. 当OF为高电平时，主要数据输出output的数值是不可靠的。

4.符号标志

当ALU处于无符号工作模式时，符号标志sign强制置为低电平。当ALU处于有符号工作模式时，符号标志sign与主要数据输出output的最高位电平一致。
当ALU处于四则有符号加法或减法工作方式时，确定sign是不难的。
当ALU处于四则有符号左移或右移工作方式时，A的符号位并不参与位移动操作。
当ALU处于布尔工作模式时，A与B的符号位均参与相关操作。
当ALU处于不同的工作模式或方式时，符号标志sign的意义不尽相同，具体可参考下表：

总结

本文首先介绍了ALU的模块框图，给出了各输入数据线、输出数据线、控制线的信息。然后介绍了ALU在控制线输入不同控制码时，所处的不同工作模式和方式。最后详细介绍了各辅助输出数据线，包括数据线的含义、随控制码及输入数据A与B的变化方式、数据线输出高或低电平的意义。