[Verilog] 조합회로(Combinational logic) : ALU(산술 논리 장치)

산술 논리 장치란?

• 명령어에 따라 산술연산, 논리연산, 시프트연산 등의 기능을 수행할 수 있는 조합논리회로
• ALU(Arithmatic Logic Unit)라고 부른다.
• CPU에서 가장 중요한 요소

 

회로(4bit ALU)

 

 

ALU의 명령어와 연산

명령어		연산	의미
산술연산	0000	a + b	덧셈
	0001	a - b	뺄셈
	0010	a x b	곱셈
	0011	a / b	나눗셈
	0100	a % b	나머지
비트 단위 논리연산	0101	~a	비트 NOT
	0110	a & b	비트 AND
	0111	a | b	비트 OR
	1000	a ^ b	비트 XOR
	1001	a ~^ b	비트 XNOR
비트단항 논리연산	1010	& a	비트단항 AND
	1011	| a	비트단항 OR
	1100	~& a	비트단항 NAND
	1101	^ a	비트단항 XOR
시프트 연산	1110	a >> b	a를 b비트 우측 이동
	1111	a << b	a를 b비트 좌측 이동

 

verilog 코드

// ALU 설계

module alu (a, b, inst, result);
  
  input [3:0] a, b, inst;
  output reg [7:0] result;
  
  parameter ADD = 4'h0;
  parameter SUB = 4'h1;
  parameter MUL = 4'h2;
  parameter DIV = 4'h3;
  parameter MOD = 4'h4;
  parameter BitNOT = 4'h5;
  parameter BitAND = 4'h6;
  parameter BitOR = 4'h7;
  parameter BitXOR = 4'h8;
  parameter BitNOR = 4'h9;
  parameter RedAND = 4'ha;
  parameter RedOR = 4'hb;
  parameter RedNAND = 4'hc;
  parameter RedXOR = 4'hd;
  parameter RSHT = 4'he;
  parameter LSFT = 4'hf;

  always@(a or b or inst) begin
    case(inst)
      ADD : result = a + b;
      SUB : result = a - b;
      MUL : result = a * b;
      DIV : result = a / b;
      MOD : result = a % b;
      BitNOT : result = ~ a;
      BitAND : result = a & b;
      BitOR : result = a | b;
      BitXOR : result = a ^ b;
      BitNOR : result = a ~^ b;
      RedAND : result = & a;
      RedOR : result = | a;
      RedNAND : result = ~& a;
      RedXOR : result = ^ a;
      RSHT : result = a >> b;
      LSFT : result = a << b;
      default : result = 8'hz;
    endcase
  end
    
endmodule

 

테스트벤치

// 4비트 ALU tb

`timescale 1ns/10ps

module tb_alu;
  
  reg [3:0] a, b, inst;
  wire [7:0] result;
  
  integer i;
  
  alu U0 (.a(a), .b(b), .inst(inst), .result(result));
  
  initial begin
    
    $dumpfile("dump.vcd");
    $dumpvars(0);
    
    a = 4'hb; // 4'b1011 
    b = 4'h2; // 4'b0010
    
  end
  
  initial begin 
    
    inst = 4'h0;
    
    for(i = 0; i <= 15; i = i + 1) begin
      #100; inst = inst + 1;
    end
    
  end
  
endmodule

 

Waveform

• inst의 값이 for문을 돌면서 100ns마다 4'h0부터 4'hf까지의 값을 가지게 됨.