16位超前加法器实验报告

16位超前加法器设计实验

一、实验分析：

四位超前进位加法器HDL程序：

module add4_head ( a, b, ci, s, pp, gg);

input[3:0] a;

input[3:0] b;

input ci;

output[3:0] s;

output pp;

output gg;

wire[3:0] p;

wire[3:0] g;

wire[2:0] c;

assign p[0] = a[0] ^ b[0];

assign p[1] = a[1] ^ b[1];

assign p[2] = a[2] ^ b[2];

assign p[3] = a[3] ^ b[3];

assign g[0] = a[0] & b[0];

assign g[1] = a[1] & b[1];

assign g[2] = a[2] & b[2];

assign g[3] = a[3] & b[3];

assign c[0] = (p[0] & ci) | g[0];

assign c[1] = (p[1] & c[0]) | g[1];

assign c[2] = (p[2] & c[1]) | g[2];

assign pp = p[3] & p[2] & p[1] & p[0];

assign gg = g[3] | (p[3] & (g[2] | p[2] & (g[1] | p[1] & g[0])));

assign s[0] = p[0] ^ ci;

assign s[1] = p[1] ^ c[0];

assign s[2] = p[2] ^ c[1];

assign s[3] = p[3] ^ c[2];

endmodule

p表示进位否决信号（pass），如果p为0就否决调前一级的进位输入。否决的意思就是即使前一级有进位，本级也不会向后一级产生进位输出。

g表示进位产生信号（generate），如果g为1就表示一定会向后一级产生进位输出。p[n] = a[n] ^ b[n]这句话的意思是说，当a=1,b=0或a=0,b=1时前一级的进位输入信号不能否决。这样就有个问题了，即当a=1,b=1时前一级的进位输入信号也不能否决啊，怎么没有体现出来？其实当a=1,b=1时产生了进位产生信号g，它的优先级高于p信号，就忽略了p信号，直接产生了向后一级产生进位输出，是没有逻辑错误的。

g[n] = a[n] & b[n]

这句话的意思是说，如果a=1,b=1时就直接向后一级产生进位输出信号，而不用考虑其它的任何因素。

pp表示本级模块的进位否决信号，如果pp为0就否决调前一级模块的进位输入。gg表示本级模块进位产生信号，如果gg为1就表示一定会向后一级模块产生进位输出。这两个信号pp和gg都是用于超前进位模块之间的连接，如4个4位超前进位加法器模块再使用超前进位逻辑进行连接构成16位超前进位加法器。

pp = p[3] & p[2] & p[1] & p[0]

这句话的意思是说，当a+b=1111时，此时前一级模块的进位输入不能被否决。gg = g[3] | (p[3] & (g[2] | p[2] & (g[1] | p[1] & g[0])))

这一句可以这样理解，它是嵌套了几层的：

1. 如果g[3]=1，即最高位要产生进位位，则表示本模块一定会向后一级模块产生进位输出，于是gg=1。

2. 如果g[3]=0，但是p[3]=1（表示不能否决掉前一级的进位），而且前一级又有进位输入时，gg=1。

3. 以下层次的关系依此类推。

总之，可以看出几个规律：

1. 用于模块内部的p和g信号，它们的产生都不依赖于模块内部各位之间的进位信号，而是由输入信号a和b直接得到的。

2. 用于模块外部的pp和gg信号，它们的产生也不依赖于该模块的进位输入信号，pp和gg信号用于超前进位链的再次级联。

3. 当进位产生信号（g或gg）为1时，一定向后一级产生进位输出，此时不需要等待前一级进位信号的输入，速度得以加快。

4. 当进位产生信号（g或gg）为0时，向不向后一级产生进位输出就不好说了。我们能肯定的是如果此时进位否决信号（p或pp）为0，则一定不会向后一级产生进位输出，这种情况也不需要等待前一级进位信号的输入，速度还是得以加快。

5. 如果进位产生信号（g或gg）为0，并且进位否决信号（p或pp）为1，向不向后一级产生进位输出就完全取决于前一级进位信号的输入了，这时花的时间最长。

二、实验所需程序：

module cla16(a,b,s); //top module 含有四个4 位超前进位加法器子模块

input [15:0] a,b;//定义输入信号

output [16:0] s;

wire pp4,pp3,pp2,pp1;

wire gg4,gg3,gg2,gg1;

wire [14:0] Cp;

wire [15:0] p,g;

pg i0 (a[15:0],b[15:0],p[15:0],g[15:0]);

add i1 (p[3],p[2],p[1],p[0],g[3],g[2],g[1],g[0],pp1,gg1);

add i2 (p[7],p[6],p[5],p[4],g[7],g[6],g[5],g[4],pp2,gg2);

add i3 (p[11],p[10],p[9],p[8],g[11],g[10],g[9],g[8],pp3,gg3);

add i4 (p[15],p[14],p[13],p[12],g[15],g[14],g[13],g[12],pp4,gg4);

add i5 (pp4,pp3,pp2,pp1,gg4,gg3,gg2,gg1,pp5,gg5);

add4 l0 (p[3],p[2],p[1],p[0],g[3],g[2],g[1],g[0],1'b0,Cp[2],Cp[1],Cp[0]);

add4 l1 (p[7],p[6],p[5],p[4],g[7],g[6],g[5],g[4],Cp[3],Cp[6],Cp[5],Cp[4]);

add4 l2 (p[11],p[10],p[9],p[8],g[11],g[10],g[9],g[8],Cp[7],Cp[10],Cp[9],Cp[8]);

add4 l3 (p[15],p[14],p[13],p[12],g[15],g[14],g[13],g[12],Cp[11],Cp[14],Cp[13]); assign s[0]=p[0]^1'b0;

assign s[1]=p[1]^Cp[0];

assign s[2]=p[2]^Cp[1];

assign s[3]=p[3]^Cp[2];

assign s[4]=p[4]^Cp[3];

assign s[5]=p[5]^Cp[4];

assign s[6]=p[6]^Cp[5];

assign s[7]=p[7]^Cp[6];

assign s[8]=p[8]^Cp[7];

assign s[9]=p[9]^Cp[8];

assign s[10]=p[10]^Cp[9];

assign s[11]=p[11]^Cp[10];

assign s[12]=p[12]^Cp[11];

assign s[13]=p[13]^Cp[12];

assign s[14]=p[14]^Cp[13];

assign s[15]=p[15]^Cp[14];

assign s[16]=pp5|gg5;

endmodule

module add4(p[3],p[2],p[1],p[0],g[3],g[2],g[1],g[0],Co,Cp[2],Cp[1],Cp[0]); //4位超前进位加法器模块

input [3:0]p,g;

input Co;

output [2:0] Cp;

assign Cp[0]=g[0]|p[0]&Co;

assign Cp[1]=g[1]|p[1]&Cp[0];

assign Cp[2]=g[2]|p[2]&Cp[1];

endmodule

module add(p[3],p[2],p[1],p[0],g[3],g[2],g[1],g[0],pp,gg);

//模块间进位信号产生

input [3:0]p,g;

output pp,gg;

assign pp=p[3]&p[2]&p[1]&p[0];

assign gg=g[3]|(p[3]&(g[2]|p[2]&(g[1]|p[1]&g[0])));

endmodule

module pg(a,b,p,g); //进位产生信号、进位传递信号产生模块

input [15:0] a,b;

output [15:0] p,g;

assign p=a^b;

assign g=a&b;

endmodule

三、结果分析

资源占用情况：

延时分析：仅对a，b第16位设值，在10ns内置1，进而得到计算的时延情况。