FPGA的算法解析1:整數(shù)操作與加減法器

一. 整數(shù)的概念

整數(shù)在 IEEE 的規(guī)定上有短整數(shù) short integer , 中整數(shù) integer 和 長整數(shù) long integer ，它們之間的關(guān)系如下：

為了方便討論，下面均以短整數(shù)作為例子。

原碼：最高為符號位，之后是數(shù)值位。

+62 的原碼表示為 00111110
-62 的原碼表示為 10111110

補(bǔ)碼：正數(shù)和0的補(bǔ)碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是將其原碼的符號位保持不變，對數(shù)值位逐位求反，然后在最低位加一。對補(bǔ)碼求補(bǔ)就可以得到原碼。

+6 的原碼表示為 00000110            +6 的補(bǔ)碼表示為 00000110 
-5 的原碼表示為 10000101            -5 的補(bǔ)碼表示為 11111011

補(bǔ)碼的運(yùn)算規(guī)則：在FPGA的底層，有符號數(shù)都是按照補(bǔ)碼來存儲的。補(bǔ)碼有一個特別的好處就是可以將減法轉(zhuǎn)換為加法，從而將加減法統(tǒng)一。

7-5：
7 的補(bǔ)碼是 00000111，-5 的補(bǔ)碼是 11111011 ,7 + (-5) = 00000111 + 11111011 = (1)00000010
由于只有8位，因此將進(jìn)位舍去得到加和的結(jié)果為 00000010，恰好是 2 的補(bǔ)碼
3-4：
3 的補(bǔ)碼是 00000011，-4 的補(bǔ)碼是 11111100 ,3 + (-4) = 00000011 + 11111100 = 11111111
得到加和的結(jié)果為 11111111，恰好是 -1 的補(bǔ)碼

溢出：兩個補(bǔ)碼相加時，如果產(chǎn)生的和超出了有效數(shù)字位所表示的范圍，則計算結(jié)果會出錯，解決的方法是擴(kuò)大字長。

二. 簡單的加法與減法操作

通過上面的討論，我們可以很容易的看到，從理論上講在底層對補(bǔ)碼只用加法就可以完成加法與減法的操作，但是由于我們在上層是對行為進(jìn)行描述，因此也是要用到減法的。

module adder8(sum,ina,inb);
// 定義輸入輸出變量,這個加法器不考慮進(jìn)位，只需要對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行最高位擴(kuò)展
output [8:0] sum;
input [7:0] ina,inb;
assign sum = {ina[7], ina} + {inb[7],inb};
endmodule

module subber8(dif,ina,inb);
        // 定義輸入輸出變量,這個減法器不考慮借位，只需要對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行最高位擴(kuò)展
output [8:0] dif;
input [7:0] ina,inb;
assign dif = {ina[7], ina} - {inb[7],inb};
endmodule

這是對有符號數(shù)設(shè)計的加減法器，可以看到上面的加減法都完成的很棒，并沒有產(chǎn)生溢出的問題。

三. 采用流水線操作的加法器（耗時角度考慮）

這是一個四級流水線加法器的框圖，上面的加法器采用5級鎖存、4級加法的結(jié)構(gòu)。每一個加法器實(shí)現(xiàn)2位數(shù)據(jù)和上一個進(jìn)位的相加，整個加法器只受2位全加器的工作速度的限制，平均完成一個加法運(yùn)算只需要一個時鐘周期的時間，需要注意的是由于有四級流水線，因此這個加法器在輸出第一個計算值的時候有四個時鐘周期的延時。這里只給出無符號數(shù)的流水線加法器的模型，都寫出來太長了（其實(shí)我也沒有寫 ）。代碼寫的比較繁瑣，但是邏輯更清楚，主要是當(dāng)做學(xué)習(xí)流水線結(jié)構(gòu)的例子，真正在工程中用的話感覺還是調(diào)IP核吧。

module pipeadder8(cout,sum,ina,inb,cin,clk,rst_n);
// 定義輸入輸出變量
output [7:0] sum;
output cout;
input [7:0] ina,inb;
input cin,clk,rst_n;
reg [7:0] tmpa,tmpb,sum;
reg cout;
reg tmpci,firstco,secondco,thirdco;
reg[1:0] firsts;
reg[5:0] firsta,firstb;
reg[3:0] seconds;
reg[3:0] seconda,secondb;
reg[5:0] thirds;
reg[1:0] thirda, thirdb;
// 這里進(jìn)行第0級數(shù)據(jù)緩存
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) {tmpa,tmpb,tmpci} <= {8'd0,8'd0,1'b0};
else {tmpa,tmpb,tmpci} <= {ina,inb,cin};
end
// 這里進(jìn)行第1級數(shù)據(jù)緩存，并且完成最低兩位以及進(jìn)位位的加法
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) {firstco,firsts,firsta,firstb} = {1'b0,2'd0,6'd0,6'd0};
else begin
{firstco,firsts} <= tmpa[1:0] + tmpb[1:0] + tmpci;
firsta <= tmpa[7:2];
firstb <= tmpb[7:2];
end
end
// 這里進(jìn)行第2級數(shù)據(jù)緩存，并且完成次低兩位以及進(jìn)位位的加法
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) {secondco,seconds,seconda,secondb} = {1'b0,4'd0,4'd0,4'd0};
else begin
{secondco,seconds} <= {{1'b0,firsta[1:0]} + {1'b0,firstb[1:0]} + firstco, firsts};
seconda <= firsta[5:2];
secondb <= firstb[5:2];
end
end
// 這里進(jìn)行第3級數(shù)據(jù)緩存，并且完成次次低兩位以及進(jìn)位位的加法
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) {thirdco,thirds,thirda,thirdb} = {1'b0,6'd0,2'd0,2'd0};
else begin
{thirdco,thirds} <= {{1'b0,seconda[1:0]} + {1'b0,secondb[1:0]} + secondco, seconds};
thirda <= seconda[3:2];
thirdb <= secondb[3:2];
end
end
// 這里進(jìn)行第4級數(shù)據(jù)緩存，并且完成次次次低兩位以及進(jìn)位位的加法
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) {cout,sum} = {1'b0,8'd0};
else {cout,sum} <= {{1'b0,thirda[1:0]} + {1'b0,thirdb[1:0]} + thirdco, thirds};
end


endmodule