乘法器(EDA)

基于FPGA的乘法器设计课程设计报告

题目名称：基于FPGA的乘法器设计学生姓名：姚荣

学号： 2011508195

专业年级：电子信息工程2011级

指导教师：钟福如

时间： 2014.1.5

基于FPGA的乘法器设计

一、设计任务与要求：

1）有输入端口“读入”接收读入指示信号；“读入”信号为

“1”时开始读数，信号为“0”时停止读数；

2）乘数为位宽16bit的二进制有符号数；

3）两个16bit乘数先后经1bit位宽端口串行输入系统；

4）两个乘数的16bit均输入完成后送交后续模块做乘法运算；

5）乘法运算部分要求利用流水线架构实现；乘法结果保留

24bit；

6）结果输出时，有指定管脚给出指示信号；

7）有“同步复位”端口（1bit），此端口输入“1”后，整

个系统强制回归到初始状态；

二、方案设计与论证：

2.1组合电路乘法器

组合电路乘法器采用了很多的寄存器和加法器进行运算，占用了很大的资源，稳定性也比较低，思路复杂难与设计。

2.2基于时序电路的位移相加型16位硬件乘法器

基于时序电路的位移相加型16位硬件乘法器从工程实际设计上来说，它往往会利用时序逻辑设计的方法来实现，属于时序逻辑范畴。其思路清析，好理解，稳定性较高，具有很好的工程实际性，因此选用本方案。

三、基于时序电路的位移相加型16位硬件乘法器基本原理：

该乘法器是由16位加法器构成的以时序方式设计的16位乘法器。其乘法原理是：乘法通过逐项移位相加原理来实现，从被乘数的最低位开始，

若为1，则乘数左移后与上一次的和相加；

若为0，左移后以全零相加，直至被乘数的最高位。

从图10-2的逻辑图及其乘法操作时序图图1（示例中的相乘数为C6H和FDH ）上可以清楚地看出此乘法器的工作原理。

图2中，START信号的上跳沿及其高电平有两个功能，即32位寄存器清零和被乘数A[15..0]向移位寄存器SREG16B加载；它的低电平则作为乘法使能信号。

CLK为乘法时钟信号。当被乘数被加载于16位右移寄存器SREG16B后，随着每一时钟节拍，最低位在前，由低位至高位逐位移出。当为1时，1位乘法器ANDARITH打开，16位乘数B[15..0]在同一节拍进入16位加法器，与上一次锁存在16位锁存器REG16B 中的高16位进行相加，其和在下一时钟节拍的上升沿被锁进此锁存器。

而当被乘数的移出位为0时，与门全零输出。如此往复，直至16个时钟脉冲后，最后乘积完整出现在REG32B端口。在这里，1位乘法器ANDARITH的功能类似于1个特殊的与门，即当ABIN为‘1’时，DOUT直接输出DIN，而当ABIN为‘0’时，DOUT输出全“0000000000000000”。

图1 16位移位相加乘法器运算逻辑波形图

图2 16位乘法器逻辑原理图

四、FPGA的乘法器各个模块设计：

基于时序电路的位移相加型16位硬件乘法器包括：16位加法器ADDER16、1位乘法器ANDARITH、32位锁存器（右移寄存器）REG32B、16位右移寄存器SREG16B。

4.116位加法器（ADDER16）：

LIBRARY IEEE; --16位加法器

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY ADDER16 IS

PORT(B, A : IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);

S : OUT STD_LOGIC_VECTOR(16 DOWNTO

0) );

END ADDER16;

ARCHITECTURE behav OF ADDER16 IS

BEGIN

S <= '0'&A + B ;

END behav;

4.21位乘法器（ANDARITH）：

LIBRARY IEEE; --1位乘法器

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY ANDARITH IS -- 选通与门模块PORT ( ABIN : IN STD_LOGIC;

DIN : IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO

0);

DOUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0) );

END ANDARITH;

ARCHITECTURE behav OF ANDARITH IS

BEGIN

PROCESS(ABIN, DIN)

BEGIN

FOR I IN 0 TO 15 LOOP -- 循环，完成8位与1位运算

DOUT(I) <= DIN(I) AND ABIN;

END LOOP;

END PROCESS;

END behav;

4.332位锁存器（REG32B）：

LIBRARY IEEE; --32位锁存器/右移寄存器

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY REG32B IS

PORT ( CLK,CLR : IN STD_LOGIC;

D : IN STD_LOGIC_VECTOR(16 DOWNTO 0);

Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0) );

END REG32B;

ARCHITECTURE behav OF REG32B IS

SIGNAL R32S : STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);

BEGIN

PROCESS(CLK, CLR)

BEGIN

IF CLR = '1' THEN R32S <= (OTHERS =>'0') ; -- 清零信号

ELSIF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN --时钟到来时，锁存输入值，并右移低8

R32S(14 DOWNTO 0) <= R32S(15 DOWNTO 1); -- 右移低8位

R32S(31 DOWNTO 15) <= D; -- 将输入

锁到高8位

END IF;

END PROCESS;

Q <= R32S;

END behav;

4.416位右移寄存器（SREG16B）：

LIBRARY IEEE; -- 16位右移寄存器

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY SREG16B IS

PORT ( CLK ,LOAD : IN STD_LOGIC;

DIN : IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO

0);

QB : OUT STD_LOGIC );

END SREG16B;

ARCHITECTURE behav OF SREG16B IS

SIGNAL REG16 : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);

BEGIN

PROCESS (CLK, LOAD)

BEGIN

IF LOAD = '1' THEN REG16 <= DIN;

ELSIF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN

REG16(14 DOWNTO 0) <= REG16(15 DOWNTO

1);

END IF;

END PROCESS;

QB <= REG16(0); -- 输出最低位END behav;

五、仿真结果：

图3仿真结果六、原理图：

图4原理图七、心得体会：

EDA实用教程一门很有些意义的课程。从最初的一步一步的学习，让我学到更多，对计算机的最底层有了更深一步的了解。

在做这个课程设计时，比想象的更加困难些，虽然通过许多途径找到了相关的资料，但是实现着实不简单。对于我来说写程序是一个比较困难的事情，所以做这个课程设计确实很纠结。不过做完这个课程设计，我学到了很多，在编程方面也有了一定的提升。这门课程设计必须理论和实践相结合。整个的设计过程中，要充分利用软件工程中的模块化设计思想，这样使设计减少了许多繁杂的问题，使程序看起来更加明了，不易混乱。任何事情不可能一下子完成，程序的实现更是要一步一步来完成，急于求成，很大程度上会增加软件开发的难度，造成开发过程中不必要的麻烦。只要坚持去做，努力去做，就会有收获。我在进步，也会继续进步。在经过那段设计困难时期后，经过查阅大量的参考书籍，同学之间不断的探讨以及老师的细心讲解，及时的指导后，设计的思路终于有了眉目。

这次课程设计，给了我们将学过的理论知识付诸实践的机会，让我发现，理论和实践其实确实是不一样的。通过编写程序，增加了学习的积极性和趣味性。通过课程实践,巩固加深对课堂教学内容的理解,提高我的VHDL设计能力,培养克服困难的毅力和精神。

参考文献：

［1］赵倩.基于流水线重构技术的16×16位乘加器的设计.微计算机信息,2006（2）［2］潘松.黄继业.EDA技术实用教程VHDL版（第四版）.科学出版社,2011.11