目錄

• 0 前言
• • 0.1 使用環(huán)境
  • 0.2 知識(shí)點(diǎn)
  • 0.3 注意事項(xiàng)
• 1 建模：1位加法器
• • 1.1 構(gòu)建基礎(chǔ)模型
  • • 1.1.1 一位加法器
    • • 1.1.1.1 科技黑箱：外部端口與功能
      • 1.1.1.2 揭秘黑箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊
    • 1.1.2 從頂層模塊提取低層模塊：取反功能選擇器
    • • 1.1.2.1 科技黑箱：外部端口與功能
      • 1.1.2.2 揭秘黑箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊
    • 1.1.3 從頂層模塊提取低層模塊：基礎(chǔ)加法器
    • • 1.1.3.1 科技黑箱：外部端口與功能
      • 1.1.3.2 揭秘黑箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊
  • 1.2 層次建模
  • • 1.2.1 32位加法器
    • 1.2.2 1位加法器
• 2 實(shí)現(xiàn)：1位加法器
• • 2.1 取反選擇器
  • • 2.1.1 設(shè)計(jì)塊
    • 2.1.2 激勵(lì)塊
    • 2.1.3 功能驗(yàn)證
  • 2.2 基礎(chǔ)加法器
  • • 2.2.1 設(shè)計(jì)塊
    • 2.2.2 激勵(lì)塊
    • 2.2.3 功能驗(yàn)證
  • 2.3 1位加法器的實(shí)現(xiàn)
  • • 2.3.1 設(shè)計(jì)塊
    • 2.3.2 激勵(lì)塊&功能驗(yàn)證
• 3 原理講解：實(shí)現(xiàn)整數(shù)減法，將負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼
• • 3.1 計(jì)算機(jī)進(jìn)制數(shù)與人類進(jìn)制數(shù)的差別
  • • 3.1.1 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼的原理
  • 3.2 進(jìn)位輸入信號(hào)carry_in的作用
• 3 建模：32位加法器
• • 3.1 科技黑箱：外部端口
  • 3.2 揭秘黑箱：內(nèi)部細(xì)節(jié)
  • • 3.2.1 組合式設(shè)計(jì)的核心原則
• 4 實(shí)現(xiàn)：32位加法器
• • 4.1 設(shè)計(jì)塊
  • 4.2 激勵(lì)塊
  • • 4.2.1 報(bào)錯(cuò)解決方案
  • 4.3 仿真驗(yàn)證
• 5 行為級(jí)建模的魅力
• • 5.1 設(shè)計(jì)塊
  • 5.2 激勵(lì)塊
  • 5.3 結(jié)果驗(yàn)證
  • 5.4 思考點(diǎn)
• 6 由行為級(jí)描述掌握幾大重要思想
• 7 待求解決方案的錯(cuò)誤

0 前言

0.1 使用環(huán)境

• EDA工具：Vivado 2017.4
• 硬件描述語言：Verilog HDL

0.2 知識(shí)點(diǎn)

• 加法器（全加器）
• 多路選擇器
• Verilog 語言及其設(shè)計(jì)思想
• 補(bǔ)碼

0.3 注意事項(xiàng)

本文中所有的Verilog實(shí)現(xiàn)部分，均完成了仿真測(cè)試，并未進(jìn)行時(shí)序驗(yàn)證以及后續(xù)的邏輯綜合步驟，后續(xù)步驟可能會(huì)出現(xiàn)問題，請(qǐng)讀者自行完成修改。

1 建模：1位加法器

我們先來構(gòu)建1位加法器，要知道，32位加法器只不過是將32個(gè)1位加法器以特定的方式連接起來，真正的核心是1位加法器的設(shè)計(jì)。

1.1 構(gòu)建基礎(chǔ)模型

1.1.1 一位加法器

1.1.1.1 科技黑箱：外部端口與功能

功能：能夠?qū)崿F(xiàn)整數(shù)的加減法，這也就意味著

支持正數(shù)和負(fù)數(shù)，支持加法和減法（事實(shí)上，a+(-b) = a - b;負(fù)數(shù)與減法某種程度上來說，是一樣的）

能夠識(shí)別正負(fù)數(shù)，并且能夠做出不同的選擇

遇到正數(shù)、加法，直接運(yùn)算

遇到負(fù)數(shù)、減法 ，轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼再運(yùn)算

• 輸入端口
  • 數(shù)據(jù)：a，b
  • 進(jìn)位：carry_in
  • 取反控制：a_invert，b_invert
• 輸出端口
  • 和：sum
  • 進(jìn)位：carry_out

特別注意：對(duì)于多個(gè)加法器組合的情況，carry_in是來自上一個(gè)加法器的carry_out，如果位置是第一個(gè)，則要置為0

1.1.1.2 揭秘黑箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊

內(nèi)部線網(wǎng)：不與外部相連的內(nèi)部線，就是內(nèi)部線網(wǎng)，在Verilog設(shè)計(jì)中需要單獨(dú)加上！

1.1.2 從頂層模塊提取低層模塊：取反功能選擇器

1.1.2.1 科技黑箱：外部端口與功能

下圖圖示部分為取反功能選擇器，其功能是控制輸入的數(shù)據(jù)是否執(zhí)行取反操作

以下是其外部端口：

1.1.2.2 揭秘黑箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊

多路選擇器的全面講解參考我的另一篇文章：全面剖析數(shù)據(jù)選擇器

1.1.3 從頂層模塊提取低層模塊：基礎(chǔ)加法器

1.1.3.1 科技黑箱：外部端口與功能

1.1.3.2 揭秘黑箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊

使用數(shù)據(jù)流建模，兩個(gè)邏輯表達(dá)式就可以，這個(gè)部分是數(shù)字邏輯必備知識(shí)，不再贅述。

1.2 層次建模

1.2.1 32位加法器

32位加法器1位加法器12.....3031

1.2.2 1位加法器

1位加法器取反選擇器1非門二選一選擇器取反選擇器2基礎(chǔ)加法器與門或門

2 實(shí)現(xiàn)：1位加法器

2.1 取反選擇器

2.1.1 設(shè)計(jì)塊

`timescale 1ns / 1ps// 取反選擇器的設(shè)計(jì) module date_invert_choose (input a, // 數(shù)據(jù)輸入input a_invert, // 使能端 output a_out // 數(shù)據(jù)輸出);choose_2to1 CH0 (a,~a,a_invert,a_out); // 調(diào)用二選一選擇器實(shí)例endmodule// 二選一選擇器 module choose_2to1 (input d0,d1, // 數(shù)據(jù)輸入input add, // 地址控制output out // 數(shù)據(jù)輸出);assign out = (~add)&d0 | add&d1;endmodule

FPGA優(yōu)化結(jié)果如下：

2.1.2 激勵(lì)塊

設(shè)置激勵(lì)塊有兩個(gè)口訣：

• 調(diào)用模塊，建實(shí)例
• 設(shè)置輸入，驗(yàn)輸出

`timescale 1ns / 1psmodule test;// 設(shè)置變量reg a; // 數(shù)據(jù)輸入reg a_invert; // 控制輸入wire a_out; // 數(shù)據(jù)輸出 // 調(diào)用實(shí)例【調(diào)用模塊建實(shí)例】date_invert_choose DIC0 (a,a_invert,a_out); // 【不要忘了實(shí)例名！只有門級(jí)描述可以不寫】// 設(shè)置信號(hào)【設(shè)置輸入，看輸出】initialbegina = 1;a_invert = 0;#1 $display("功能%b，直接輸出：a_out = %b\n",a_invert,a_out);a_invert = 1;#1 $display("功能%b，取反輸出：a_out = %b\n",a_invert,a_out);endendmodule

2.1.3 功能驗(yàn)證

仿真結(jié)果沒有問題！

2.2 基礎(chǔ)加法器

2.2.1 設(shè)計(jì)塊

module add_base_1size (input a,b, // 數(shù)據(jù)輸入input carry_in, // 進(jìn)位輸入output carry_out, // 進(jìn)位輸出output sum // 和);assign sum = a ^ b ^ carry_in;assign carry_out = a&b | (a^b)&carry_in;endmodule

2.2.2 激勵(lì)塊

請(qǐng)讀者自行完成

2.2.3 功能驗(yàn)證

經(jīng)過仿真驗(yàn)證，沒有問題。

2.3 1位加法器的實(shí)現(xiàn)

本節(jié)展現(xiàn)的是完整代碼，包含2.1和2.2的設(shè)計(jì)塊代碼

2.3.1 設(shè)計(jì)塊

`timescale 1ns / 1ps// 取反選擇器的設(shè)計(jì) module date_invert_choose (input a, // 數(shù)據(jù)輸入input a_invert, // 使能端 output a_out // 數(shù)據(jù)輸出);choose_2to1 CH0 (a,~a,a_invert,a_out); // 調(diào)用二選一選擇器實(shí)例endmodule// 二選一選擇器 module choose_2to1 (input d0,d1, // 數(shù)據(jù)輸入input add, // 地址控制output out // 數(shù)據(jù)輸出);assign out = (~add)&d0 | add&d1;endmodule// 基礎(chǔ)加法器 module add_base_1size (input a,b, // 數(shù)據(jù)輸入input carry_in, // 進(jìn)位輸入output carry_out, // 進(jìn)位輸出output sum // 和);assign sum = a ^ b ^ carry_in;assign carry_out = a&b | (a^b)&carry_in;endmodule// 1位加法器的實(shí)現(xiàn) module add_1size (input a,b, // 數(shù)據(jù)輸入input a_invert,b_invert, // 求反控制input carry_in, output carry_out,output sum);// 內(nèi)部線網(wǎng)設(shè)置wire a_out,b_out; // 獲得經(jīng)過求反選擇器之后的結(jié)果// 調(diào)用模塊實(shí)例// 求反控制器實(shí)例date_invert_choose DateA (a,a_invert,a_out);date_invert_choose DateB (b,b_invert,b_out);// 加法器實(shí)例add_base_1size Add_A_B (a_out,b_out,carry_in,carry_out,sum);endmodule

2.3.2 激勵(lì)塊&功能驗(yàn)證

module test;reg a,b; // 注意reg為無符號(hào)數(shù)reg a_invert,b_invert;reg carry_in;wire carry_out;wire sum;add_1size AD0 (a,b,a_invert,b_invert,carry_in,carry_out,sum);// 設(shè)置信號(hào)，求 a + （-b）即 a - binitialbegina = 0; b = 0;a_invert = 0; b_invert = 1; // b取反carry_in = 1; // b取反加1#1 $display("a = %b, b = %b, carry_out = %b\na - b = %b\n",a,b,carry_out,sum); // 模擬 a - bif (sum == 0)$display("驗(yàn)證成功！ 0 - 0 = 0");endendmodule

這里的驗(yàn)證我有必要講解一下，因?yàn)橛行┑胤綍?huì)令人費(fèi)解。

reg為無符號(hào)數(shù)，如果直接像reg a = -1這樣的語法，存到計(jì)算機(jī)中是自動(dòng)以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)的，那樣的話就沒有辦法驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)了。要明白的一點(diǎn)是，我們是假定計(jì)算機(jī)不會(huì)自動(dòng)將負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，由我們的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)工作，因此，這里我直接手動(dòng)輸入了某個(gè)數(shù)的原碼，再有我們的設(shè)計(jì)將其轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，這樣就完成了驗(yàn)證工作。

我們假定在十進(jìn)制下，a > 0，-b < 0，我們要求出 a + （-b）的值，并且這臺(tái)計(jì)算機(jī)沒有將-b存儲(chǔ)為補(bǔ)碼的功能，我們又知道b的二進(jìn)制形式就是其補(bǔ)碼，它在經(jīng)過全部按位取反再加1后，會(huì)得到-b的補(bǔ)碼，因此也就有了激勵(lì)塊中的b = 0;和carry_in = 1;，這是為了驗(yàn)證取反加1功能是否正確。

實(shí)際的過程是這樣的：a + b取反 + 1 = a + (-b) = a - b，這樣就是能夠讓你明白兩件事，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換和減法轉(zhuǎn)換為加法它的實(shí)際過程是這樣的：a = 0,b = 0，故a + b取反 + 1 = 0 + 1 + 1 = 10也就是sum = 0；carry_out = 1；

3 原理講解：實(shí)現(xiàn)整數(shù)減法，將負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼

本小節(jié)可以跳過，可以看完第4節(jié)再回看。

3.1 計(jì)算機(jī)進(jìn)制數(shù)與人類進(jìn)制數(shù)的差別

計(jì)算機(jī)進(jìn)制數(shù)指的是

• 二進(jìn)制
• 八進(jìn)制
• 十六進(jìn)制

人類進(jìn)制數(shù)指的是

• 十進(jìn)制

兩者差別主要在于，十進(jìn)制數(shù)使用 -來表示負(fù)數(shù)，而計(jì)算機(jī)進(jìn)制數(shù)使用補(bǔ)碼來表示負(fù)數(shù)，在其數(shù)據(jù)本身，就包含了符號(hào)，而十進(jìn)制數(shù)據(jù)是不包含符號(hào)位的，它的符號(hào)位是單獨(dú)存在的。這也是機(jī)器數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)化的特點(diǎn)。

而人類又習(xí)慣于使用十進(jìn)制，這才有了負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換方法及其硬件設(shè)計(jì)邏輯。

在這里重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，不要理會(huì)原碼、反碼，這是歷史上已經(jīng)被淘汰的東西，他們跟補(bǔ)碼，只是有數(shù)學(xué)上的聯(lián)系，以及歷史原因。

但是，從十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼這一過程跟原碼、反碼完全沒有關(guān)系，很多教材和老師的講解都是不正確的。

我們只需要記住以下原則：

3.1.1 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼的原理

請(qǐng)注意，這里十進(jìn)制數(shù)的對(duì)象為：全體實(shí)數(shù)，包含整數(shù)和小數(shù)，他們都適用于補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換規(guī)則，重要的一點(diǎn)區(qū)別是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)上

• 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)整數(shù)，直接使用補(bǔ)碼表示
• 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)小數(shù)，使用的是浮點(diǎn)表示，關(guān)于這一點(diǎn)請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀浮點(diǎn)運(yùn)算的知識(shí)

在這里，我們以十進(jìn)制整數(shù)為例來進(jìn)行說明

• 對(duì)于正數(shù)，這個(gè)非常容易，直接使用除基取余法即可，高位需要用0補(bǔ)全
  例如（假定寄存器為16位）：
  200D = 0000_0000_1100_1000B
• 對(duì)于負(fù)數(shù)，需要遵循這樣的規(guī)則：全部取反再加1

例如 -2D：

（1）先表示出2D = 0000_0000_0000_0010B

（2）再全部取反，1111_1111_1111_1101B

（3）再加1，1111_1111_1111_1110B

（4）這樣得到的結(jié)果就是 -2D的補(bǔ)碼

需要注意的是，此時(shí)如果高位有空余，需要補(bǔ)上1，而不是0

其中，我之前提到的取反功能選擇器，就是完成了取反操作，但是還有加1操作呢？我們繼續(xù)看下一小節(jié)！

3.2 進(jìn)位輸入信號(hào)carry_in的作用

我在1.1.1.1節(jié)提到過，carry_這個(gè)信號(hào)，初始需要置為0，加法器單獨(dú)存在一個(gè)的時(shí)候，它是不太重要的。

只有多個(gè)加法器連在一起（串行進(jìn)位，第3節(jié)會(huì)提及）的時(shí)候，上一級(jí)的carry_in與下一級(jí)的carry_out連接起來，才能發(fā)揮作用。

但是，如果初始將carry_in置為1，就能夠發(fā)揮它的作用了，它在補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換過程，起到了加1的作用。

無論輸入的數(shù)據(jù)是1位還是32位，加1只需要在最低位加1，也就是只需要把單獨(dú)存在的，不與carry_out連接的caryy_in置為1，就能實(shí)現(xiàn)加1操作。

十進(jìn)制的2：0000 0000 0000 0010先取反： 1111 1111 1111 1101再加1: + 1————————————————————————1111 1111 1111 1110 其中：取反操作使用取反選擇器完成加1操作只需將carry_in置為1

這樣一來，取反選擇器與carry_in = 1緊密合作，就完成了十進(jìn)制數(shù)到補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換，也就實(shí)現(xiàn)了整數(shù)的加減法。

備注：如果這個(gè)部分看不懂，請(qǐng)看完第3節(jié)再回看此節(jié)。

至此，我想你能夠理解實(shí)現(xiàn)整數(shù)減法的硬件設(shè)計(jì)原理了。

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思考點(diǎn)：

這里留一個(gè)問題給讀者思考，試想，如果采用大多數(shù)老師講解的原碼、反碼和補(bǔ)碼的原則去轉(zhuǎn)換補(bǔ)碼，硬件設(shè)計(jì)會(huì)是怎樣的？

這里我直接給你結(jié)果分析，具體設(shè)計(jì)不再講解，自行完成。
顯然，按照這樣的方式，設(shè)計(jì)會(huì)非常復(fù)雜，而且沒有必要，既違背了硬件設(shè)計(jì)簡單性原則，也增加了數(shù)學(xué)運(yùn)算的復(fù)雜度

一般老師講解的原碼、反碼和補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換方式是

• 先求原碼，再求反碼，再求補(bǔ)碼

我教你的是

• 全部取反再加1

這二者是區(qū)別就是

• 前者教你 1 + 10 - 9 = 2
• 后者教你： 1 + 1 = 2

對(duì)比之下，哪個(gè)更加簡潔不言而喻，事實(shí)上，這些都是人為規(guī)定，怎么計(jì)算都可以，在數(shù)學(xué)上都說的通，但是要考慮硬件簡單性原則，后者顯然更加占優(yōu)勢(shì)。

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假定a,b均為非負(fù)整數(shù)，則：
a - b = a + ( b取反 + 1 )

但是事實(shí)的情況往往會(huì)更加復(fù)雜，比如：-a - b又如何處理？

目前從原理上能夠?qū)崿F(xiàn)減法，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)一步改進(jìn)，這就涉及到了將其添加到MIPS指令上，這個(gè)以后再說。

3 建模：32位加法器

這里采用串行進(jìn)位方式進(jìn)行連接，并非并行進(jìn)位（超前進(jìn)位）。

關(guān)于基礎(chǔ)加法器的超前進(jìn)位實(shí)現(xiàn)，參照我的文章：全面剖析：加法器——從1位到4位，從一般加法（串行進(jìn)位）到快速加法（并行進(jìn)位/超前進(jìn)位）【此處鏈接待完善】

3.1 科技黑箱：外部端口

3.2 揭秘黑箱：內(nèi)部細(xì)節(jié)

3.2.1 組合式設(shè)計(jì)的核心原則

• 全部接口都連接，分三大類
  • 與外部總線連接
  • 與外部一根線連接
  • 內(nèi)部相互連接（配置內(nèi)部線網(wǎng)，一般為數(shù)組）

4 實(shí)現(xiàn)：32位加法器

4.1 設(shè)計(jì)塊

此處直接使用前面設(shè)計(jì)好的1位加法器，再次強(qiáng)調(diào)，此處為串行進(jìn)位

module add_32sizes (input [31:0] a,b,input a_invert,b_invert,input carry_in,output carry_out,output [31:0] sum);// 設(shè)置內(nèi)部線網(wǎng)wire carry_out_in [30:0]; // 內(nèi)部串行進(jìn)位傳遞// 調(diào)用模塊實(shí)例add_1size ADD0 (a[0],b[0],a_invert,b_invert,carry_in,carry_out_in[0],sum[0]);add_1size ADD1 (a[1],b[1],a_invert,b_invert,carry_out_in[0],carry_out_in[1],sum[1]);add_1size ADD2 (a[2],b[2],a_invert,b_invert,carry_out_in[1],carry_out_in[2],sum[2]);add_1size ADD3 (a[3],b[3],a_invert,b_invert,carry_out_in[2],carry_out_in[3],sum[3]);add_1size ADD4 (a[4],b[4],a_invert,b_invert,carry_out_in[3],carry_out_in[4],sum[4]);add_1size ADD5 (a[5],b[5],a_invert,b_invert,carry_out_in[4],carry_out_in[5],sum[5]);add_1size ADD6 (a[6],b[6],a_invert,b_invert,carry_out_in[5],carry_out_in[6],sum[6]);add_1size ADD7 (a[7],b[7],a_invert,b_invert,carry_out_in[6],carry_out_in[7],sum[7]);add_1size ADD8 (a[8],b[8],a_invert,b_invert,carry_out_in[7],carry_out_in[8],sum[8]);add_1size ADD9 (a[9],b[9],a_invert,b_invert,carry_out_in[8],carry_out_in[9],sum[9]);add_1size ADD10 (a[10],b[10],a_invert,b_invert,carry_out_in[9],carry_out_in[10],sum[10]);add_1size ADD11 (a[11],b[11],a_invert,b_invert,carry_out_in[10],carry_out_in[11],sum[11]); add_1size ADD12 (a[12],b[12],a_invert,b_invert,carry_out_in[11],carry_out_in[12],sum[12]);add_1size ADD13 (a[13],b[13],a_invert,b_invert,carry_out_in[12],carry_out_in[13],sum[13]);add_1size ADD14 (a[14],b[14],a_invert,b_invert,carry_out_in[13],carry_out_in[14],sum[14]);add_1size ADD15 (a[15],b[15],a_invert,b_invert,carry_out_in[14],carry_out_in[15],sum[15]);add_1size ADD16 (a[16],b[16],a_invert,b_invert,carry_out_in[15],carry_out_in[16],sum[16]);add_1size ADD17 (a[17],b[17],a_invert,b_invert,carry_out_in[16],carry_out_in[17],sum[17]);add_1size ADD18 (a[18],b[18],a_invert,b_invert,carry_out_in[17],carry_out_in[18],sum[18]);add_1size ADD19 (a[19],b[19],a_invert,b_invert,carry_out_in[18],carry_out_in[19],sum[19]);add_1size ADD20 (a[20],b[20],a_invert,b_invert,carry_out_in[19],carry_out_in[20],sum[20]);add_1size ADD21 (a[21],b[21],a_invert,b_invert,carry_out_in[20],carry_out_in[21],sum[21]);add_1size ADD22 (a[22],b[22],a_invert,b_invert,carry_out_in[21],carry_out_in[22],sum[22]);add_1size ADD23 (a[23],b[23],a_invert,b_invert,carry_out_in[22],carry_out_in[23],sum[23]);add_1size ADD24 (a[24],b[24],a_invert,b_invert,carry_out_in[23],carry_out_in[24],sum[24]);add_1size ADD25 (a[25],b[25],a_invert,b_invert,carry_out_in[24],carry_out_in[25],sum[25]);add_1size ADD26 (a[26],b[26],a_invert,b_invert,carry_out_in[25],carry_out_in[26],sum[26]);add_1size ADD27 (a[27],b[27],a_invert,b_invert,carry_out_in[26],carry_out_in[27],sum[27]);add_1size ADD28 (a[28],b[28],a_invert,b_invert,carry_out_in[27],carry_out_in[28],sum[28]);add_1size ADD29 (a[29],b[29],a_invert,b_invert,carry_out_in[28],carry_out_in[29],sum[29]);add_1size ADD30 (a[30],b[30],a_invert,b_invert,carry_out_in[29],carry_out_in[30],sum[30]);add_1size ADD31 (a[31],b[31],a_invert,b_invert,carry_out_in[30],carry_out,sum[31]);endmodule

4.2 激勵(lì)塊

注意，因?yàn)樵赩erilog中，reg自動(dòng)以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，所以此處驗(yàn)證負(fù)數(shù)的時(shí)候，我們假定計(jì)算機(jī)沒有以補(bǔ)碼存儲(chǔ)這一功能，我們假定b = -5，并且手動(dòng)設(shè)置b的值，將b的值設(shè)置為5的補(bǔ)碼，5的補(bǔ)碼就是其二進(jìn)制表示0101B，以此來驗(yàn)證5的補(bǔ)碼經(jīng)過全部取反加1后，是否變成了-5的補(bǔ)碼，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

如果你沒有看懂，那么請(qǐng)看完第6節(jié)的補(bǔ)充鏈接，再回顧此內(nèi)容。

module test;reg [31:0] a,b; // 注意reg為無符號(hào)數(shù)reg a_invert,b_invert;integer carry_in;wire carry_out;wire [31:0] sum;add_32sizes AD0 (a,b,a_invert,b_invert,carry_in,carry_out,sum);// 設(shè)置信號(hào)，假設(shè)b = -5；a = 8；求a + b initialbegina = 4'b1000; // 8的補(bǔ)碼b = 4'b0101; // reg為無符號(hào)數(shù)，自動(dòng)把-5存為補(bǔ)碼，無法驗(yàn)證結(jié)果，因此使用 |-5| = 5 的補(bǔ)碼a_invert = 0; b_invert = 1; // b取反carry_in = 1; // b取反加1#1 $display("a = %d, b = -%d\na + b = %d\n",a,b,sum); // 模擬 a - bif(sum == 3)$display("驗(yàn)證成功！ 8 + (- 5) = 3");endendmodule

4.2.1 報(bào)錯(cuò)解決方案

對(duì)于這樣的錯(cuò)誤：[XSIM 43-3238] Failed to link the design.

通常情況下，是因?yàn)榧?lì)塊與設(shè)計(jì)塊的連接出了問題，可能是

• 模塊調(diào)用錯(cuò)誤
• 模塊忘記實(shí)例化
• 模塊接口連接錯(cuò)誤

可以按照這個(gè)思路依次排查

4.3 仿真驗(yàn)證

5 行為級(jí)建模的魅力

前面說了那么多，其實(shí)，真正硬件編程的時(shí)候沒有那么麻煩，強(qiáng)大的EDA工具讓我們能夠只需要描述其行為，就能完成設(shè)計(jì)，這是抽象層次足夠高的設(shè)計(jì)，讓我們來看一下。

這里你可能想要摔電腦了，什么？？？？我做了這么半天，實(shí)際上只需要幾行？？那你寫了這么多有啥用！！

冷靜一下，仔細(xì)想一下，你是不是在之前的操作中，對(duì)于加法器已經(jīng)非常熟悉了？如果你認(rèn)真做了，我想應(yīng)該是的，這就是Learning by doing，在做中學(xué)，能夠快速掌握知識(shí)，加深對(duì)于知識(shí)的理解程度，這一點(diǎn)是很必要的，因此你必須花時(shí)間來完成它。

5.1 設(shè)計(jì)塊

module add_32bits(input [31:0] a,b,input ADDctl, // 控制端，用于識(shí)別加減法 0代表加法，1代表減法output reg [31:0] result);always @(a,b,ADDctl)begincase(ADDctl)0: result = a + b;1: result = a - b;endcaseendendmodule

5.2 激勵(lì)塊

module test;// reg signed [31:0] a,b;integer a,b;reg ADDctl;wire signed [31:0] result;add_32bits ADD_0 (a,b,ADDctl,result);initialbegin// 測(cè)試加法a = -1; b = 20; ADDctl = 0;#1 $display("%d + %d = %d",a,b,result);#1// 測(cè)試減法 【1-20= 溢出值，因?yàn)椴蛔R(shí)別補(bǔ)碼！？？？怎么辦】a = -10; b = 28; ADDctl = 1;#1 $display("%d - %d = %d",a,b,result);endendmodule

5.3 結(jié)果驗(yàn)證

5.4 思考點(diǎn)

reg類型將負(fù)數(shù)以補(bǔ)碼存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了減法變?yōu)榧臃?#xff0c;那么Verilog中為何還有減法運(yùn)算？

Verilog中負(fù)數(shù)以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，令其以%d形式輸出的時(shí)候，并不會(huì)顯示負(fù)數(shù)，而是顯示一個(gè)超大的正數(shù)，如何解決？

如何正確顯示激勵(lì)塊輸入的負(fù)數(shù)，輸入端口的reg類型，可否使用integer類型？

以上問題，看完下一小結(jié)的擴(kuò)展鏈接，你就能得知答案。

6 由行為級(jí)描述掌握幾大重要思想

設(shè)計(jì)的思想有

• 分治思想
• 歸一思想
• 實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證思維
• 查閱資料的能力

我單獨(dú)寫了一篇文章，以闡述一些重要的理論和思想。請(qǐng)看：待完善

7 待求解決方案的錯(cuò)誤

[XSIM 43-3345] Unable to remove previous simulation file xsim.dir/test_behav/xsimk.exe. Please check if you have another instance of this simulation running on your system, terminate it and then recompile your design. System Error Message: boost::filesystem::status: 拒絕訪問。: "xsim.dir/test_behav/xsimk.exe".

[XSIM 43-3238] Failed to link the design.

我不知道為什么會(huì)拒絕訪問，并且此狀態(tài)下，系統(tǒng)不能刪除文件，唯一的辦法就是重新建立一個(gè)文件，并且將設(shè)計(jì)塊和激勵(lì)塊copy過去。

問題待解決中！如有讀者知道解決方案，歡迎私聊我~

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机组成原理 数字逻辑 Verilog】32位加法器的实现：支持整数的加减运算的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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