8位加法器的设计

实验二 8位加法器设计

一、实验目的

熟悉利用Quartus Ⅱ的图形编辑输入法设计简单组合电路，掌握层次化设计方法，并通过8位全加器的设计，进一步熟悉利用EDA 软件进行数字系统设计的流程。

二、实验仪器与器材

计算机1台，GW48-PK2S 实验箱1台，Quartus Ⅱ6.0 1套。

三、实验内容

1. 基本命题

利用图形输入法设计一个一位半加器和全加器，再利用级联方法构成8位加法器。

2. 扩展命题

利用文本输入法设计4位并行进位加法器，再利用层次设计方法构成8位加法器。通过时序仿真，比较两种加法器的性能。

四、设计思路

加法器是数字系统中的基本逻辑器件。例如，为了节省逻辑资源，减法器和硬件乘法器都可由加法器来构成。多位加法器的设计十分耗费硬件资源，因此在实际的设计和相关系统的开发中，需要注意资源的利用率和进位速度两方面的问题。对此，首先应选择较适合组合逻辑设计的器件作为最终的目标器件，如CPLD ；其次在加法器的逻辑结构设计上，在芯片资源的利用率和加法器的速度两方面权衡得失，探寻最佳选择，即选择最佳的并行进位最小的加法单元的宽度。显然这种选择与目标器件的时延特性有直接关系。

多位加法器的构成有两种方式：即并行进位和串行进位方式。串行进位方式的加法器是将全加器级联构成的，它有电路简单，但进位速度较慢的特点。并行进位加法器设有产生并行进位的逻辑电路，加法器的进位仅与输入状态有关，与各级加法器的进位无关，即第 i 位加法器的进位直接由该位的各输入状态决定，其关系式为：

i i i i i i C Y X Y X C ⋅⊕+=+1 （i = 0,1,2,3…）

当i = 3时，代入上述表达式可得：

00112233001122331122332233334C Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X C ⋅⊕⋅⊕⋅⊕⋅⊕+⋅⊕⋅⊕⋅⊕+⋅⊕⋅⊕+⋅⊕+= 4位加法器的各位和数表达式如下：

00000100001111121

1112222232

2223333343

333C Y X Y X C C Y X S C Y X Y X C C Y X S C Y X Y X C C Y X S C Y X Y X C C Y X S ⋅⊕+=⊕⊕=⋅⊕+=⊕⊕=⋅⊕+=⊕⊕=⋅⊕+=⊕⊕=

用门电路实现的4位并行加法器电路如图2-1所示。

图2-1 4位并行加法器电路

显然，随着位数的增加，并行加法进位电路将越来越复杂，相同位数的并行加法器与串行加法器的资源占用差距也将快速增大，一般情况下，并行进位加法器通常比串行级联加法器占用更多的芯片资源。由于4位二进制并行加法器和串行级联加法器占用几乎相同的芯片资源。因此，多位数加法器由4位二进制并行加法器级联构成是较好的折中选择，图2-2所示为该电路结构的8位加法器。

图2-2 8位加法器硬件结构图

提示：设计步骤一般包括如下十个方面，具体可参考实验一的设计思路，

下面提示有助于解决实验过程中出现的问题。

（1）首先应该建立好工作库文件夹并取名adder，以作设计工程项目的工作库。

（2）设计电路原理图。打开Quartus II，选择菜单File→New。在New窗口中的Device Design Files中选择编译文件的语言类型“Block Diagram/Schematic File”如图2-3所示，单击OK后出现图形编辑界面如图2-4所示。然后在该图形编辑窗口中绘制设计电路图。

图2-3 选择图形编辑类型

图2-3 Quartus II的图形编辑界面

（3）将当前设计取名为hadder并设定为工程。设定后可以看见Quartus II 主窗左上方的工程项目路径指向。这个路径指向很重要！

（4）编译和排错

注意：如果设计文件含有错误，在编译时会出现出错信息指示。有时尽管只有1、2个小错，但却会出现大量的出错信息，确定错误所在的最好办法是找到最上一排错误信息指示，用鼠标左键双击，就能发现在出现文本编译窗中闪动的光标附近找到错误所在。纠正后再次编译，直至排除所有错误。

还需要注意：闪动的光标指示错误所在只是相对的，错误一般在上方。VHDL 文本编辑中还可能出现许多其它错误，如：

1）错将设计文件存入了根目录，并将其设定成工程，由于没有了工作库，报错信息如下：Error ：Can't open VHDL "WORK"

2）错将设计文件的后缀写成.tdf而非.vhd，报错信息如下：Error ：Line1，File e:\muxfile\mux21a.tdf: TDF syntax error: ...

3）未将设计文件名存为其实体名，如错写为muxa.vhd，报错信息如下：Error ：Line1，...VHDL Design File "muxa.vhd" must contain ...

（5）时序仿真。具体步骤包括：建立波形文件、输入信号节点、设置波形参量、设定仿真时间宽度、加上输入信号、波形文件存盘、运行仿真器、观察分析波形。

注意：仿真波形文件的建立，一定要十分注意仿真时间区域的设定，以及时钟信号的周期设置，否则即使设计正确也无法获得正确的仿真结果。设定比较合理的仿真时间区域和信号频率，即仿真时间区域不能太小，仿真频率不能太高，即信号周期不能小到与器件的延时相比拟。

还可以进一步了解信号的延时情况。图2-4左侧的竖线是测试参考线，它与鼠标箭头间的时间差显示在窗口上方的Interval小窗中，使用该方法可以测量任意两点的时间差，由图可见输入与输出波形间有一个小的延时量。

图2-4 仿真波形图

（6）建立电路模块默认符号

在Quartus II环境下，执行“File”菜单下的“Create/Update”选项中的“Create Symbol Files for Current File”命令，将通过编译的设计文件产生一个（Quartus II Block Symbol File）模块符号文件，并保存在工程目录中。该模块符