Digitaltechnik

Beschreibung / Inhalt
Das Dokument beschreibt die Implementierung einer 4-Bit-ALU (Arithmetic Logic Unit) in einem FPGA (Field Programmable Gate Array) an der Berufsakademie Berlin im Fach Informatik im 2. Semester. Die Mitglieder der Arbeitsgruppe sind Michael Kuss, Thomas Jüngel, Matthias Buchhorn und Andreas Spiller. In der Implementierung werden außerdem ein Tastaturdecoder, Register, Bus, ALU-KI (Rechenwerk) und ALU-Control-Einheit behandelt.

Die Hauptaufgabe besteht darin, eine 4-Bit-ALU in FPGA-Implementierung herzustellen. Mindestanforderungen sind die Verwendung einer 4-Bit-ALU, zwei Operanden-Register (A=Akku, B), Befehls- und Direktwerteingabe über die Tastatur und eine Akku-Inhaltsausgabe auf 7-Segmentanzeige permanent. Das Datenformat soll vorzeichenlose Integerwerte von 0 bis 9 unterstützen. Der Befehlssatz umfasst verschiedene Befehle wie das Laden einer Konstante in Register A oder B, das Addieren, Subtrahieren, Inkrementieren oder Dekrementieren des Inhalts von A und das Verschieben des Inhalts von A nach rechts oder links.

Der Tastatur-Decoder wandelt die Signale von der Tastatur in einen Binärcode um. Weiterhin werden in der Schaltung 5 Register verwendet: ein Befehlsregister, zwei Operandenregister A (Akku) und B und zwei Hilfsregister für A und B. Die Signale zur Steuerung der Registerfunktionen kommen von der ALU-Control-Einheit.

Der Bus besteht aus vier parallelen Leitungen (4-Bit Busbreite) und verbindet alle Funktionsgruppen miteinander. Um Buskonflikte zu vermeiden, sind die Ausgänge der Funktionsgruppen mit Tristate-Buffern vom Bus entkoppelt.

Die ALU-KI (Rechenwerk) besteht aus einer kombinatorischen Schaltung und einem 4-Bit-Adder. Alle Berechnungen werden in eine Addition umgesetzt, und die kombinatorische Schaltung wandelt die Operanden in die erforderliche Form um.

Die ALU-Control-Einheit hat neun innere Zustände, die die Ausgänge steuern. Mit diesen Signalen (außer BR_IE) werden die jeweiligen Tristatebuffer an den entsprechenden Einheiten angesteuert.

Zusammengefasst beschreibt das Dokument die Implementierung einer 4-Bit-ALU auf einem FPGA und behandelt dabei die verschiedenen Komponenten, die für die erfolgreiche Realisierung benötigt werden, wie Tastaturdecoder, Register, Bus, ALU-KI und ALU-Control-Einheit. Die detaillierte Beschreibung der Haupt- und Nebenanforderungen, der verschiedenen Befehle und der inneren Zustände der ALU-Control-Einheit bietet eine ausführliche Anleitung für die Implementierung der 4-Bit-ALU.
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Auszug aus Referat
Berufsakademie Berlin - Informatik - 2. Semester Digitaltechnik Belegarbeit: 4-Bit-ALU in FPGA Implementierung Mitglieder der Arbeitsgruppe: Michael Kuss Thomas Jüngel Matthias Buchhorn Andreas Spiller Inhalt: 1. Aufgabenstellung 2. Tastaturdecoder (ABEL) 3. Register Befehlsregister Operandenregister Hilfsregister 4. Bus 5. ALU-KI-Einheit (ABEL) 6. ALU-Control-Einheit (ABEL) 7. Display Anhang: - ABEL Dateien - Verwendete Macros aus der XILINX-Bibliothek - Schematik der Gesamtschaltung 1. Aufgabenstellung: Entwurf einer 4-Bit-ALU in FPGA-Implementierung Mindestanforderungen: - 4-Bit-ALU - 2 Operanden-Register (A Akku, B) - Befehls- und Direktwerteingabe über die Tastatur - Akku-Inhaltsausgabe auf 7-Segmentanzeige permanent - Datenformat: vorzeichenlose Integerwerte von 0 bis 9 (auch Ergebnis) - Befehlssatz: Befehl Erklärung mov A,c lädt die Konstante c von Tastatur in Register A Akku; A: const mov B,c lädt die Konstante c von Tastatur in Register B; B: const add A,B addiert die Inhalte der Register A und B, Ergebnis wird nach A Akku zurückgeschrieben; A: (A B) sub A,B subtrahiert den Inhalt des Reg. B vom Inhalt des Reg. A, Ergebnis wird nach A zurückgeschrieben ; A: (A-B) inc A inkrementiert den Inhalt von A um 1; A: (A 1) dec A dekrementiert den Inhalt von A um 1; A: (A-1) shr A verschieben des Inhalts von A nach rechts; ai: ai 1 shl A verschieben des Inhalts von B nach links; ai 1: ai Realisierung Funktionsnachweis: - Auf dem XILINX Schaltkreis XC 4003 ...
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