使用Verilog硬件描述語言練習(xí)加法器設(shè)計

從今天開始新的一章-Circuits，包括基本邏輯電路、時序電路、組合電路等。

今天更新整個算術(shù)電路-加法器一小節(jié)題目，包括半加器，全加器等各種加法器。

半加器和全加器的區(qū)別

半加器

半加器是由一個異或門和一個與門連接而成的組合邏輯電路。半加器電路有兩個輸入：A 和 B，它們將兩個輸入數(shù)字相加并產(chǎn)生一個進(jìn)位和一個和。

異或門的輸出是兩個數(shù)的和，而與門的輸出是進(jìn)位。進(jìn)位加法不會轉(zhuǎn)發(fā)，因為沒有邏輯門來處理它。因此，這被稱為半加器電路。

邏輯表達(dá)式：

Sum=AXORB
Carry=AANDB

真值表：

全加器

全加器是由兩個異或門、兩個與門和一個或門組成的電路。全加器是將三個輸入相加并產(chǎn)生兩個輸出的加法器，前兩個輸入是 A 和 B，第三個輸入是進(jìn)位C-IN 的輸入。輸出進(jìn)位指定為 C-OUT，正常輸出指定為 S，即 SUM。

異或門得到的方程是二進(jìn)制數(shù)字的和。而AND門得到的輸出是加法得到的進(jìn)位。

真值表：

邏輯表達(dá)式：

SUM=(AXORB)XORCin=(A⊕B)⊕Cin
CARRY-OUT=AANDBORCin(AXORB)=A.B+Cin(A⊕B)

半加器和全加器的區(qū)別：

下面開始我們的題目，對于加法器有個更深刻的認(rèn)識~

Problem 65-Hadd

題目說明

創(chuàng)建一個半加法器。半加器將兩位相加（沒有進(jìn)位）并產(chǎn)生和和進(jìn)位（sum and carry-out）。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputa,b,
outputcout,sum);

題目解析

根據(jù)半加器的邏輯表達(dá)式處理即可。

moduletop_module(
inputlogica,b,
outputlogiccout,sum
);
assigncout=a&b;
assignsum=a^b;
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無參考波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 66-Fadd

題目說明

創(chuàng)建一個全加器。全加器將三位相加（包括進(jìn)位）并產(chǎn)生和和進(jìn)位。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputa,b,cin,
outputcout,sum);

題目解析

根據(jù)全加器的邏輯表達(dá)式處理即可。

簡單解答

moduletop_module(
inputlogica,b,cin,
outputlogiccout,sum);

assignsum=a^b^cin;
assigncout=a&b|cin&(a^b);
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 67-Adder3

題目說明

現(xiàn)在已經(jīng)知道如何構(gòu)建一個全加器，例化 3 個實例來創(chuàng)建一個 3 位二進(jìn)制波紋進(jìn)位加法器（ripple-carry adder）。加法器將兩個 3 位數(shù)字和一個進(jìn)位相加產(chǎn)生一個 3 位和和進(jìn)位。為了鼓勵例化全加器，還要輸出紋波進(jìn)位加法器中每個全加器的進(jìn)位。cout[2] 是最后一個全加器的最終進(jìn)位，也是通?？吹降倪M(jìn)位。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[2:0]a,b,
inputcin,
output[2:0]cout,
output[2:0]sum);

題目解析

例化正常的全加器，然后處理好進(jìn)位關(guān)系即可，這種波紋進(jìn)位加法器的特點需要理解，最后注意我們要把上一題寫的全加器附在后面。

moduletop_module(
inputlogic[2:0]a,b,
inputlogiccin,
outputlogic[2:0]cout,
outputlogic[2:0]sum
);

full_adderf_adder_u1(.a(a[0]),
.b(b[0]),
.cin(cin),
.cout(cout[0]),
.sum(sum[0])
);

full_adderf_adder_u2(.a(a[1]),
.b(b[1]),
.cin(cout[0]),
.cout(cout[1]),
.sum(sum[1])
);

full_adderf_adder_u3(.a(a[2]),
.b(b[2]),
.cin(cout[1]),
.cout(cout[2]),
.sum(sum[2])
);


endmodule
modulefull_adder(inputlogica,
inputlogicb,
inputlogiccin,
outputlogiccout,
outputlogicsum
);
assignsum=a^b^cin;
assigncout=a&b|cin&(a^b);
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 68-Exams/m2014 q4j

題目說明

實現(xiàn)下面電路：

FA代表全加器。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[3:0]x,
input[3:0]y,
output[4:0]sum);

題目解析

這一題和上一題類似，看懂圖片即可，將X[0]+Y[0]結(jié)果作為SUM[0]，進(jìn)位輸入到下一級，以此類推。

moduletop_module(
inputlogic[3:0]x,
inputlogic[3:0]y,
outputlogic[4:0]sum
);

wirelogic[3:0]cout;
full_adderf_adder_u1(.a(x[0]),
.b(y[0]),
.cin(1'd0),
.cout(cout[0]),
.sum(sum[0])
);

full_adderf_adder_u2(.a(x[1]),
.b(y[1]),
.cin(cout[0]),
.cout(cout[1]),
.sum(sum[1])
);

full_adderf_adder_u3(.a(x[2]),
.b(y[2]),
.cin(cout[1]),
.cout(cout[2]),
.sum(sum[2])
);

full_adderf_adder_u4(.a(x[3]),
.b(y[3]),
.cin(cout[2]),
.cout(cout[3]),
.sum(sum[3])
);

assignsum[4]=cout[3];
endmodule

modulefull_adder(inputa,inputb,inputcin,outputcout,outputsum);
assignsum=a^b^cin;
assigncout=a&b|cin&(a^b);
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 69-Exams/ece241 2014 q1c

題目說明

假設(shè)有兩個 2 進(jìn)制 8bit 有符號數(shù)-a[7:0] 和 b[7:0]。這些數(shù)字相加產(chǎn)生 s[7:0]。還要計算是否發(fā)生了（有符號的）溢出。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[7:0]a,
input[7:0]b,
output[7:0]s,
outputoverflow
);

題目解析

當(dāng)兩個正數(shù)相加產(chǎn)生負(fù)結(jié)果或兩個負(fù)數(shù)相加產(chǎn)生正結(jié)果時，會發(fā)生有符號溢出。有幾種檢測溢出的方法：可以通過比較輸入和輸出數(shù)的符號來計算，或者從位 n 和 n-1 的進(jìn)位推導(dǎo)出。簡單說就是一是正正相加，產(chǎn)生正溢出;另一種情況是負(fù)負(fù)相減，產(chǎn)生負(fù)溢出。所以在代碼中需要分別考慮這兩種情況，將這兩種情況取或判斷溢出。

moduletop_module(
inputlogic[7:0]a,
inputlogic[7:0]b,
outputlogic[7:0]s,
outputlogicoverflow
);

assigns=a+b;
assignoverflow=a[7]&b[7]&~s[7]|~a[7]&~b[7]&s[7];

endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 70-Adder100

題目說明

題目要求我們創(chuàng)建一個100bit的二進(jìn)制的加法器，該電路共包含兩個100bit的輸入和一個cin， 輸出產(chǎn)生sum和cout。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[99:0]a,b,
inputcin,
outputcout,
output[99:0]sum);

題目解析

沒什么難度，就是位數(shù)多一點，其他沒區(qū)別。

moduletop_module(
inputlogic[99:0]a,b,
inputlogiccin,
outputlogiccout,
outputlogic[99:0]sum
);

assign{cout,sum}=a+b+cin;
endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中無波形。

這一題就結(jié)束了。

Problem 71-Bcdadd4

題目說明

題目給我們提供了一個BCD加法器名字為bcd_fadd， 輸入為兩個4bitBCD碼，一個cin，產(chǎn)生輸出為sum和cout。

modulebcd_fadd{
input[3:0]a,
input[3:0]b,
inputcin,
outputcout,
output[3:0]sum);

且題目也說明需要我們例化4次bcd_fadd來得到一個16-bit的BCD加法器（共16bit）, 同樣產(chǎn)生sum和cout。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[15:0]a,b,
inputcin,
outputcout,
output[15:0]sum);

題目解析

這個題目難度不大，主要考察例化語法，但是我們需要看下BCD加法器結(jié)構(gòu)。

moduletop_module(
inputlogic[15:0]a,b,
inputlogiccin,
outputlogiccout,
outputlogic[15:0]sum);

wirelogic[2:0]cout_temp;

bcd_faddu1_bcd_fadd(
.a(a[3:0]),
.b(b[3:0]),
.cin(cin),
.cout(cout_temp[0]),
.sum(sum[3:0])
);
bcd_faddu2_bcd_fadd(
.a(a[7:4]),
.b(b[7:4]),
.cin(cout_temp[0]),
.cout(cout_temp[1]),
.sum(sum[7:4])
);
bcd_faddu3_bcd_fadd(
.a(a[11:8]),
.b(b[11:8]),
.cin(cout_temp[1]),
.cout(cout_temp[2]),
.sum(sum[11:8])
);
bcd_faddu4_bcd_fadd(
.a(a[15:12]),
.b(b[15:12]),
.cin(cout_temp[2]),
.cout(cout),
.sum(sum[15:12])
);


endmodule

點擊Submit，等待一會就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會對比這兩個波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會變紅。

這一題就結(jié)束了。

總結(jié)

今天的幾道題就結(jié)束了，整體比較簡單，沒有復(fù)雜的代碼，沒有復(fù)雜的設(shè)計思路，主要在于加法器的設(shè)計。

最后我這邊做題的代碼也是個人理解使用，有錯誤歡迎大家批評指正，祝大家學(xué)習(xí)愉快~

審核編輯：劉清