最少需要幾個加法器IP才可以實現(xiàn)累加器的功能呢？

已知一個加法器IP，其功能是計算兩個數(shù)的和，但這個和延遲兩個周期才會輸出?，F(xiàn)在有一串連續(xù)的數(shù)據(jù)輸入，每個周期都不間斷，試問最少需要例化幾個上述的加法器IP，才可以實現(xiàn)累加的功能。

設(shè)計分析

實現(xiàn)累加器的加法器例化的個數(shù)。按照原文大佬的設(shè)計方法，因為數(shù)據(jù)連續(xù)且加法器的延遲周期是2，使用使用一個實現(xiàn)累加，會有一半的數(shù)據(jù)丟失。那這樣設(shè)計他就將奇數(shù)偶數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分開做一級累加，然后第二級將奇數(shù)偶數(shù)的累加結(jié)果再累加。這樣做共需消耗3個加法器。

這樣設(shè)計當(dāng)然沒問題，但是這樣設(shè)計是否是最少呢？我先拋出我的思考，我認(rèn)為在允許少量邏輯設(shè)計的情況下，最少需要例化兩個上述的加法器IP可以實現(xiàn)累加。

如果比較極限的情況下，一個都可以，先把一串?dāng)?shù)據(jù)使用寄存器緩存，然后一個一個取出來慢慢算即可，但這樣是不太可取的，首先，數(shù)據(jù)是連續(xù)的并沒有給出數(shù)據(jù)的極限長度，也就是說不論用任何涉及存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩存，都沒法確保該次數(shù)據(jù)能完全被存儲。如果題目改成一串連續(xù)數(shù)據(jù)輸入，長度最大為10，那我認(rèn)為用寄存器緩存這樣的設(shè)計是合理的。

設(shè)計架構(gòu)

回到設(shè)計思路：用兩個加法器的結(jié)構(gòu)如圖示。

設(shè)計實現(xiàn)

加法器設(shè)計

假設(shè)兩個時鐘周期延時加法器代碼如下，通過例化加法器進(jìn)行構(gòu)建累加器。

//加法器IP
moduleadder
#(parameterDATA_WIDTH=8)(
inputclk,
inputrst_n,
input[DATA_WIDTH-1:0]a_in,
input[DATA_WIDTH-1:0]b_in,
outputreg[DATA_WIDTH-1:0]out
);
reg[DATA_WIDTH-1:0]sum;
always@(posedgeclkornegedgerst_n)begin
if(rst_n=='d0)begin
sum<=?'d0;
??????out?<=?'d0;
????end
????else?begin
??????sum?<=?a_in?+?b_in;
??????out?<=?sum;
????end
??end
endmodule

累加器設(shè)計

//累加器實現(xiàn)
moduleadder_for_acc
#(parameterDATA_WIDTH=8)
(
inputclk,
inputrst_n,
input[DATA_WIDTH-1:0]din,
inputdin_valid,
outputregdout_valid,
outputreg[DATA_WIDTH-1:0]dout
);

reg[DATA_WIDTH-1:0]din_r0;

//打一拍
always@(posedgeclkornegedgerst_n)begin
if(rst_n=='d0)begin
din_r0<=?'d0;
????end
????else?if(din_valid==1'B1)begin
??????din_r0<=?din;
????end
????else?begin
??????din_r0<='d0;
????end
??end

??//adder0_valid信號
??reg?adder0_valid;
??always?@(posedge?clk?or?negedge?rst_n)begin
????if(rst_n?==?'d0)begin
??????adder0_valid?<=?'d0;
????end
????else?if(din_valid==1'B1)begin
??????adder0_valid<=!adder0_valid;
????end
????else?begin
??????adder0_valid<='d0;
????end
??end

??wire[DATA_WIDTH-1:0]?a_in?=?(adder0_valid?&&?din_valid)?din:0;
??wire[DATA_WIDTH-1:0]?b_in?=?(adder0_valid)?din_r0:0;
??wire[DATA_WIDTH-1:0]?ab_sum;

??adder?adder0_dut?(
????.clk??(clk???),
????.rst_n(rst_n?),
????.a_in?(a_in??),
????.b_in?(b_in??),
????.out??(ab_sum)
??);
??//第一級加法器輸出有效信號
??reg?[1:0]adder0_valid_dly;
??wire?ab_sum_valid?=?adder0_valid_dly[1];
??always?@(posedge?clk?)?begin
??????adder0_valid_dly<={adder0_valid_dly[0],adder0_valid};
??end

??wire?[DATA_WIDTH-1:0]?sum_in;
??wire?[DATA_WIDTH-1:0]?ab_sum_in?=?(ab_sum_valid)?ab_sum:0;
??wire?[DATA_WIDTH-1:0]?accsum_in?=?(ab_sum_valid)?sum_in:dout;

??adder?adder1_dut?(
????.clk??(clk??????),
????.rst_n(rst_n????),
????.a_in?(ab_sum_in),
????.b_in?(accsum_in),
????.out??(sum_in???)
??);
??
??//第二級加法器輸出有效信號
??reg?[3:0]din_valid_r0;
??reg?[1:0]adder1_valid_dly;
??wire?adder1_outvld?=?adder1_valid_dly[1];
??always?@(posedge?clk?)?begin
????adder1_valid_dly<={adder1_valid_dly[0],ab_sum_valid};
??end
??//輸出
??always?@(posedge?clk?)?begin
????din_valid_r0<={din_valid_r0[2:0],(din_valid?||?adder0_valid)};
??end
??always?@(posedge?clk?or?negedge?rst_n)?begin
????if(rst_n?==?'d0)begin
??????dout?<=?'d0;
??????dout_valid?<=?'d0;
????end
????else?if(adder1_outvld?==?1?&&?(din_valid_r0[3]==1?&&?din_valid_r0[2]==0))begin
??????dout?<=?sum_in?;
??????dout_valid?<=?'d1;
????end
????else?begin
??????dout?<=?dout?;
??????dout_valid?<=?'d0;
????end
??end

endmodule

代碼架構(gòu)設(shè)計

打拍：先對數(shù)據(jù)用寄存器緩存一拍，輸入數(shù)據(jù)暫時用in[i]表示，緩存。

第一級加法器輸入選擇valid：因為前級積累一拍的數(shù)據(jù)，設(shè)計valid用于指示加法器的輸入數(shù)據(jù)。

第一級加法器信號輸入：根據(jù)valid信號進(jìn)行選擇數(shù)據(jù)輸入。

調(diào)用第一級加法器，同時對輸入valid信號進(jìn)行打兩拍處理，指示有效的輸出數(shù)據(jù)。

第二級加法器信號輸入：根據(jù)valid信號進(jìn)行選擇數(shù)據(jù)輸入。

調(diào)用第二級加法器，同時對輸入valid信號進(jìn)行打兩拍處理，指示有效的輸出數(shù)據(jù)。

輸出結(jié)果和valid信號。

經(jīng)過分析，目前設(shè)計延時是4拍，也即兩級，這里dout和valid使用的是時序邏輯輸出，所以在輸入valid拉低后的第五個時鐘周期輸出正確的結(jié)果。

仿真測試

設(shè)計仿真測試代碼對代碼進(jìn)行測試，這里使用了遞增數(shù)測試代碼可用性，在實際測試時，可通過改變DATA_LEN的大小測試單次遞增累加后的結(jié)果，后續(xù)結(jié)果依次遞增為第一次的N倍。

`timescale1ns/1ps
moduleadder_for_acc_tb;

//Parameters
localparamDATA_WIDTH=8;
localparamDATA_LEN=5;
//Ports
regclk=1;
regrst_n=0;
reg[DATA_WIDTH-1:0]din;
regdin_valid=0;
wiredout_valid;
wire[DATA_WIDTH-1:0]dout;

adder_for_acc
#(
.DATA_WIDTH(
DATA_WIDTH)
)
adder_for_acc_dut(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.din(din),
.din_valid(din_valid),
.dout_valid(dout_valid),
.dout(dout)
);
always@(posedgeclkornegedgerst_n)begin
if(rst_n=='d0)begin
din<=?'d0;
??????din_valid?<=?'d0;
????end
????else?if(dout_valid?==?1)begin
??????din?<=?'d0;
??????din_valid?<=?'d1;
????end
????else?if(din?==?DATA_LEN)begin
??????din?<=?din;
??????din_valid?<=?'d0;
????end
????else?if(din?!=?DATA_LEN)begin
??????din?<=?din?+?1;
??????din_valid?<=?'d1;
????end
????else?begin
??????din?<=?din;
??????din_valid?<=?'d0;
????end
??end

??always?#5??clk?=?!?clk?;
??initial?begin
????begin
??????#100;
??????rst_n?=?1;
??????#1000;
??????$finish;
????end
??end

?
endmodule

仿真截圖

仿真分析

在圖示仿真可知，累加器功能正常，在din_valid信號拉低后第五拍可得到輸出結(jié)果，功能正常。

審核編輯：劉清