手工加法运算时候,我们都是从最低位的数字开始,逐位相加,直到最高位。如果第i位产生进位,就把该位作为第i+1位输入。同样的,在逻辑电路中,我们可以把一位全加器串联起来,实现多位加法,比如下面的四位加法电路。这种加法电路叫行波进位加法器。
每一级的进位cout传到下一级时都有一个延时,假设为t, 则总的延时为 n*t, n为操作数的位数,比如四位行波进位加法器,为4t。因为t是固定的时间,所以32位或者64位加法时候,这个时延可能不可接受,影响电路的时序,所以我们需要找到更加高效的加法器。
下面是8位行波进位加法器的代码。通过改变参数n的值,我们能够实现的不同位操作数的行波进位加法。
module addern(x, y, s, cout);
parameter n=8;
input [n-1:0] x;
input [n-1:0] y;
output reg[n-1:0] s;
output reg cout; reg [n:0] c;
integer k; always @(x,y) begin
c[0] = 1'b0;
for(k = 0; k < n; k = k + 1) begin
s[k] = x[k]^y[k]^c[k];
c[k+1] = (x[k]&y[k])|(x[k]&c[k])|(y[k]&c[k]);
end
cout = c[n]; end endmodule
或者我们能够使用generate … endgenerate,在其中用for循环实例化fulladd模块来实现同样功能。代码如下:
module addern(x, y, s, cout);
parameter n=32;
input [n-1:0] x;
input [n-1:0] y;
output [n-1:0] s;
output cout; wire [n:0] c;
genvar k;
assign c[0]=0;
assign cout=c[n]; generate
for(k = 0; k <= n-1; k = k + 1) begin:addbit
fulladd stage(c[k],x[k],y[k],s[k],c[k+1]);
end
endgenerate endmodule
使用下面的testbench代码:
`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20 module addern_tb;
reg [7:0] x,y; wire cout;
wire [7:0] s;
reg clk; addern #(.n(8)) addern_0(
.x(x),
.y(y),
.s(s),
.cout(cout)
); initial clk = 0;
always #(`clock_period/2) clk = ~clk; initial begin
x = 0;
repeat(20)
#(`clock_period) x = $random; end initial begin
y = 0;
repeat(20)
#(`clock_period) y = $random; end initial begin
#(`clock_period*20)
$stop;
end endmodule
进行功能验证,我们得到如下的波形,注意设置radix位unsigned,以便查看结果是否正确。
我们也可以使用下面的代码实现相同的功能。这段代码在quartus II选用Cyclone IV E-EP4CE10F17C8综合后,得到下面的逻辑电路,应该是调用了内置的加法器ip。
module addern( x, y,s,cout); parameter n=8;
input [n-1:0] x;
input [n-1:0] y;
output [n-1:0] s;
output cout; assign {cout, s} = x + y ; endmodule