超前进位加法器设计实验
4bits超前加法进位器的全定制设计_微电子卓越班数字集成电路课程设计报告
数字集成电路课程设计题目：4 bits超前加法进位器地全定制设计姓名：席高照学号： 111000833学院：物理与信息工程学院专业：微电子（卓越班）年级： 2010级指导教师：陈群超（签名）2013 年 6 月 3 日目录第1章概述 01.1课程设计目地.......................................... 错误！未定义书签。
1.2课程设计地主要内容.................................... 错误！未定义书签。
1.2.1设计题目.......................................... 错误！未定义书签。
1.2.2设计内容.......................................... 错误！未定义书签。
第2章功能分析及逻辑分析 (2)2.1功能分析 (2)2.2推荐工作条件 (3)2.3电性能 (7)2.4真值表 ................................................ 错误！未定义书签。
2.5表达式 (6)2.6电路图...................................................................... 错误！未定义书签。
第3章电路设计与器件参数设计83.1性能指标： ............................................ 错误！未定义书签。
3.2模块划分 (7)3.2.1输出级电路设计 (7)3.2.2内部反相器 (9)3.2.3内部电路等效 (8)3.2.4输入级电路 (10)3.2.5输出缓冲级电路 (10)3.2.6输入、输出保护电路 (10)3.3本章小结 (10)第4章电路模拟与仿真................................................................................................... 错误！未定义书签。
设计一个 4 位超前进位加法器(数字逻辑课设)
c[2]=(p[2]&p[1]&p[0]&ci)|(p[2]&p[1]&g[0])|(p[2]&g[1])|g[2],
c[3]=(p[3]&p[2]&p[1]&p[0]&ci)|(p[3]&p[2]&p[1]&g[0])|(p[3]&p[2]&g[1])|(p[3]&g[2])|g[3];
代码如下： add.v
`timescale 1ns/1ps
module add(input [3:0]a,input [3:0]b,input ci,output [3:0]s,output co); //定义所需变量
wire [3:0] p, g; //进位传递函数p,进位产生函数g
wire [3:0] c; //进位函数
设计要求：在这个设计中，你需要使用 Verilog 代码设计一个 4 位的超前进位加法器。这个 4 位超前进位加法器可以完成对两个 4 位二进制数的相加。完成设计后，你还需要设计测试程序(test bench)来验证你的设计。你的测试程序需要考虑到所有可能的输入情况。
设计思路：
因为各进位的产生依赖于低位的进位，所以运算速度较慢。为了提高速度，必须设法使较低位的进位信号越过中间各级直接决定较高位的进位输出，设计Ai和Bi分别表示第i位的被加数和加 数，Ci-1为来自第i-1位全加器的进位，令Pi=Ai^Bi，Gi=Ai&Bi函数表达式为：
Co=PoCo+Go
C1=P1Co+G1
C2=p2C1+G2
4bits超前加法进位器的全定制设计微电子卓越班数字集成电路课程设计报告
数字集成电路课程设计题目：4 bits超前加法进位器的全定制设计姓名：席高照学号：111000833学院：物理与信息工程学院专业：微电子（卓越班）年级：2010级指导教师：群超（签名）2013 年 6 月 3 日目录第1章概述 (1)1.1课程设计目的 (1)1.2课程设计的主要容 (1)1.2.1设计题目 (1)1.2.2设计容 (1)第2章功能分析及逻辑分析 (2)2.1功能分析 (2)2.2推荐工作条件 (3)2.3电性能 (3)2.4真值表 (6)2.5表达式 (6)2.6电路图 (7)第3章电路设计与器件参数设计 (8)3.1性能指标： (8)3.2模块划分 (8)3.2.1输出级电路设计 (8)3.2.2部反相器 (9)3.2.3部电路等效 (9)3.2.4输入级电路 (10)3.2.5输出缓冲级电路 (10)3.2.6输入、输出保护电路 (10)3.3本章小结 (11)第4章电路模拟与仿真 (12)4.1电路搭建 (12)4.1.1建立新库 (12)4.1.2建立SCHEMATIC VIEW (13)4.1.3建立SYMBOL (14)4.1.4建立总体电路SCHEMATIC VIEW (14)4.1.5建立总体SYMBOL (15)4.1.6测试电路 (16)4.2功能仿真 (16)4.3功耗仿真 (18)4.4仿真结果分析 (18)4.5本章小结 (18)5.2反相器版图 (19)5.3输入级 (20)5.4输出级 (20)5.5输出缓冲 (20)5.6异或门 (21)5.7或非门 (23)5.8与非门 (24)5.9整体版图 (25)5.10本章小结 (25)心得 (26)参考文献 (27)附录 (28)附录174LS283中文资料 (28)第1章概述1.1 课程设计目的•综合应用已掌握的知识•熟悉集成电路设计流程•熟悉集成电路设计主流工具•强化学生的实际动手能力•培养学生的工程意识和系统观念•培养学生的团队协作能力1.2 课程设计的主要容1.2.1 设计题目4bits超前进位加法器全定制设计1.2.2 设计要求Vdd=1.8V,VoH=4.6V,Vol=0.4V可驱动10个LSTTL电路（相对于15pf电容负载）1.2.3 设计容•功能分析及逻辑分析•电路设计及器件参数设计•估算功耗与延时•电路模拟与仿真•版图设计•版图数据提交及考核，课程设计总结第2章功能分析及逻辑分析2.1功能分析74283为4为超前进位加法器，不同于普通串行进位加法器由低到高逐级进位，超前进位加法器所有位数的进位大多数情况下同时产生，运算速度快，电路结构复杂。
超前进位加法器设计实验实验
《计算机组成原理》实验报告实验序号：四实验项目名称：超前进位加法器设计实验xx 1xx 姓名xx 专业、班XX实验地点XX 指导教师xx 实验时间XX一、实验目的及要求(1) 掌握超前进位加法器的原理及其设计方法。
(2) 熟悉CPLD 应用设计及EDA 软件的使用。
二、实验设备（环境）及要求PC 机一台，TD-CM3+或TD-CMX 实验系统一套。
三、实验内容与步骤(1) 根据上述加法器的逻辑原理使用Quartus II 软件编辑相应的电路原理图并进行编译，其在EPM1270 芯片中对应的引脚如图1-2-7 所示，框外文字表示I/O 号，框内文字表示该引脚的含义（本实验例程见‘安装路径\Cpld\Adder\Adder.qpf’工程）。
(2)关闭实验系统电源，按图1-2-8 连接实验电路，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。
(3) 打开实验系统电源，将生成的POF 文件下载到EPM1270 中去。
(4) 以CON 单元中的SD17…SD10 八个二进制开关为被加数A，SD07…SD00 八个二进制开关为加数B，K7 用来模拟来自低位的进位信号，相加的结果在CPLD 单元的L7…L0 八个LED灯显示，相加后向高位的进位用CPLD 单元的L8 灯显示。
给A 和B 置不同的数，观察相加的结果。
四、实验结果与数据处理如在SD17...SD10中输入1111 1001，在SD07...SD00中输入1001 1111，在实验箱中可看到用来模拟低位与高位的进位信号K7、L8灯变亮，同时可看到A01...A08与L7...L0上的显示分别为1001与1000。
五、分析与讨论(心得)这个实验是上个实验的扩展，进一步加深了我对运算器的认识。
现实生活中我们也要学会对已有的知识的一种扩展补充，进一步加深对已有知识的巩固，并探索其更深层次的东西，设计出与众不同的东西来。
这个算法的核心是把8 位加法器分成两个 4 位加法器，先求出低 4 位加法器的各个进位，特别是向高4 位加法器的进位 C 4 。
4bits超前进位加法器全定制设计实验报告
TPLH
Propagation Delay Time
A1~A4，B1~B4到C4
3
ns
TPHL
3
tT
2.5
tP
2.5
Av Power
4
Layout Area
150*180
2.5真值表
2.6逻辑图
工艺的主要参数（smic18工艺）
参数
参数定义
PMOS数值
NMOS数值
U0
迁移率
8.661m
34m
Vth
-0.4
mA
IOL
Low Level OutputVoltage
8
mA
2.3直流特性
Symbol
Parameter
Test Condition
Value
Units
TA=25°C
Min
Typ
Max
VOH
High Level OutputVoltage
VCC=Min，IOH=Max
VIL=Max，VIH=Min
mA
C0
-0.4
II
InputCurrent @ Max Input Voltage
VCC=Max
VI=7.2V
A,B
0.2
mA
C0
0.1
ICC
Supply Current
VCC=Maxl
Parameter
From (Input )to (Ouput)
Test Condition
(2)点选LM视窗上面的工具列File→New→Library；
(3)会产生New Library画面；
(4)在框内填入库名；
16位超前进位加法器实验报告
实验名称：十六位超前进位加法器一、实验目的设计、验证并优化16位超前进位加法器的逻辑功能。
二、实验原理1、1位全加器原理全加器的求和输出信号和进位信号，定义为输入变量A、B、C的两种组合布尔函数：求和输出信号 = A ⊕ B ⊕ C进位信号 = AB + AC + BC实现这两个函数的门级电路如下图。
并不是单独实现这两个函数，而是用进位信号来产生求和输出信号。
这样可以减少电路的复杂度，因此节省了芯片面积。
上述全加器电路可以用作一般的n位二进制加法器的基本组合模块，它允许两个n 位的二进制数作为输入，在输出端产生二进制和。
最简单的n位加法器可由全加器串联构成，这里每级加法器实现两位加法运算，产生相应求和位，再将进位输出传到下一级。
这样串联的加法器结构称为并行加法器，但其整体速度明显受限于进位链中进位信号的延迟。
因此，为了能够减少从最低有效位到最高有效位的最坏情况进位传播延时，最终选择的电路是十六位超前加法器。
2、超前进位加法器原理超前进位加法器的结构如下图。
超前进位加法器的每一位由一个改进型全加器产生一个进位信号gi和一个进位传播信号pi，其中全加器的输入为Ai和Bi，产生的等式为：改进的全加器的进位输出可由一个进位信号和一个进位传输信号计算得出，因此进位信号可改写为：式中可以看出，当gi = 1(Ai = Bi = 1)时，产生进位；当pi = 1(Ai =1或Bi = 1)时，传输进位输入，这两种情况都使得进位输出是1。
近似可以得到i+2和i+3级的进位输出如下：下图为一个四位超前进位加法器的结构图。
信号经过pi和gi产生一级时延，经过计算C产生一级时延，则A，B输入一旦产生，首先经过两级时延算出第1轮进位值C’不过这个值是不正确的。
C’再次送入加法器，进行第2轮2级时延的计算，算出第2轮进位值C，这一次是正确的进位值。
这里的4个4位超前进位加法器仍是串行的，所以一次计算经过4级加法器，一级加法器有2级时延，因此1次计算一共经过8级时延，相比串行加法器里的16级时延，速度提高很多。
试验二 超前进位加法器 设计
试验二超前进位加法器设计练习2. 4位超前进位加法器行波进位加法器延时较长，可采用超前进位加法器减少延时，但是由此会造成电路的复杂。
超前进位加法器原理参见《数字集成电路》（周润德第二版）424页。
对以上公式的注解：公式中的C O,K 表示第K 为的进位输出，G K 为第K 位的进位产生，P K 为第K 为的进位传播。
且：K K KK K KG A B P A B ==⊕ A K ,B K 为输入加数的第K 位。
将Co 和S 用G,P 重写为： O ii C G PC S P C =+=⊕由于低位的输出进位是高位的输入进位，所以有上面的(11.15)式源程序：//this is a carry lookahead of 4bitmodule clad(ina,inb,ci,co,sum);input[3:0] ina,inb;input ci;output co;output[3:0]sum;wire co0,co1,co2,G0,G1,G2,G3,P0,P1,P2,P3;assignG0=ina[0]&inb[0],P0=ina[0]^inb[0],G1=ina[1]&inb[1],P1=ina[1]^inb[1],G2=ina[2]&inb[2],P2=ina[2]^inb[2],G3=ina[3]&inb[3],P3=ina[3]^inb[3],co0=G0|(P0&ci),co1=G1|(P1&co0),co2=G2|(P2&co1),co=G3|(P3&co2),sum[0]=P0^ci,sum[1]=P1^co0,sum[2]=P2^co1,sum[3]=P3^co2;endmodule测试程序：module clad_test;reg[3:0] ina,inb;reg ci;wire co;wire[3:0]sum;clad CI(.ina(ina),.inb(inb),.ci(ci),.co(co),.sum(sum)); initialbeginina=0;inb=0;ci=0;endalways #5 ina=ina+1'b1;always #80 inb=inb+1'b1;always #1280 ci=~ci;endmodule仿真结果：注：该结果为10进制显示练练手：参考《数字集成电路》（周润德第二版）420-421，设计一个16位的超前进位加法器，基本单元使用4位的加法器，结构自选。
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];endmodulep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。
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四川大学计算机学院、软件学院
实验报告学号：姓名：专业：班级：第周
课程
名称
计算机组成原理实验课时
实验
项目
超前进位加法器设计实验实验时间
实验目的1.掌握超前进位加法器的原理及其设计方法。
2.熟悉CPLD应用设计及EDA软件的使用
实验
环境
TD-CMA实验系统一台，PC机一台
实验内容（算法、程序、步骤和方法）1.实验原理：
加法器是执行二进制加法运算的逻辑部件，也是CPU运算器的基本逻辑部件（减法可以通过补码相加来实现）。
加法器又分半加器和全加器，不考虑低位的进位，只考虑两个二进制数相加，得到和以及向高位进位的加法器叫半加器，而全加器是在半加器的基础上又考虑了低位进来的进位信号。
全加器的逻辑表达式为：S=ABCi+ABCi+ABCi+ABCi C0=AB+ACi+BCi
串行加法器运算速度慢，其根本原因是每一位的结果都要依赖于低位的进位，因而可以通过并行进位的方式来提高效率。
只要能设计出专门的电路，使得每一位的进位能够并行地产生
而与低位的运算情况无关，就能解决这个问题。
可以对加法器进位的逻辑表达式做进一步
G i,j = G i,k + P i,k G k-1,j
P i,j = P i,k P k-1,j
C i+1 = G i,j + P i,j C j
从而可以得到表1-2-2 所示的算法，该算法为超前进位算法的扩展算法，这里实现的是一个8 位加法器的算法。
（接上）实验内容（算法、程序、步骤和方法）这样，在超前进位扩展算法的逻辑电路实现中，需要设计两种电路。
模块 A 逻辑电路需要完成如下计算逻辑，其原理图如图 1-2-3 所示。
Gi,i = AiBi
Pi,i = Ai + Bi
Si = ABCi + ABCi + ABCi + ABCi
模块 B 逻辑电路需要完成如下计算逻辑，其原理图如图 1-2-4 所示。
Gi,j = Gi,k + Pi,kGk-1,j
Pi,j = Pi,kPk-1,j
Ci+1 = Gi,j + Pi,jCj
按图 1-2-2 将这两种电路连接起来，就可以得到一个 8 位的超前进位的加法器。
图1-2-3 模块A 原理图
图1-2-4 模块B 原理图
从图中可以看到 Gi,i 和 Pi,i 既参与了每位上进位的计算，又参与了下一级 Gi,i 和 Pi,i 的计算。
这样就复用了这些电路，使得需要的总逻辑电路数大大减少。
超前进位加法器的运算速度较快，但是，与串行进位加法器相比，逻辑电路比较复杂，使用的逻辑器件较多，这些是为提高运算速度付出的代价。
本实验在 CPLD 单元上进行， CPLD 单元由由两大部分组成，一是 LED 显示灯，两组 16只，供调试时观测数据， LED 灯为正逻辑， 1 时亮， 0 时灭。
另外是一片 MAXII EPM1270T144及其外围电路。
EPM1270T144 有 144 个引脚，分成四个块，即BANK1…BANK4，将每个块的通用 I/O 脚加以编号，就形成 A01…A24、 B01…B30 等 I/O 号，如图 1-2-5 所示。
CPLD 单元排针的丝印分为两部分，一是 I/O 号，以 A、 B、 C、 D 打头，如 A15，一是芯片引脚号，是纯数字，如 21，它们表示的是同一个引脚。
在 Quartus II
软件中分配 I/O 时用的是引脚号，而在实验接线图中，它们表示的是同一个引脚。
在Quartus II 软件中分配I/O 时用的是引脚号，而在实验接线图中，
都以I/O 号来描述。
2.实验步骤：
(1) 根据上述加法器的逻辑原理使用Quartus II 软件编辑相应的电路原理图并进行编译，其在EPM1270 芯片中对应的引脚如图1-2-7 所示，框外文字表示I/O 号，框内文字表示该引脚的含义（本实验例程见‘安装路径\Cpld\Adder\Adder.qpf’工程）。
图1-2-7 引脚分配图
(2) 关闭实验系统电源，按图1-2-8 连接实验电路，图中将用户需要连接的信号用圆圈
标明。
图1-2-8 实验接线图
(3) 打开实验系统电源，将生成的POF 文件下载到EPM1270 中去。
(4) 以CON 单元中的SD17…SD10 八个二进制开关为被加数A，SD07…SD00 八个二进制
开关为加数B，K7 用来模拟来自低位的进位信号，相加的结果在CPLD 单元的L7…L0 八个LED
灯显示，相加后向高位的进位用CPLD 单元的L8 灯显示。
给A 和B 置不同的数，观察相加的
结果。