使用Verilog/SystemVerilog硬件描述語(yǔ)言 (HDL) 練習(xí)數(shù)字硬件設(shè)計(jì)

題目說明

給出了一個(gè)可以做16bit加法的模塊add16，實(shí)例化兩個(gè)add16以達(dá)到32bit加法的。

這個(gè)題目的核心就是上面的圖片，將兩個(gè)16bit加法合成32bit加法即可。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
output[31:0]sum
);

題目解析

這個(gè)題目重點(diǎn)是進(jìn)位的處理，一個(gè)add16模塊計(jì)算結(jié)果的低16位，另一個(gè)add16模塊在接收到第一個(gè)的進(jìn)位后計(jì)算結(jié)果的高16位。此32bit加法器不需要處理輸入進(jìn)位(假設(shè)為0)和輸出進(jìn)位(無需進(jìn)位)，但為了內(nèi)部模塊為了結(jié)果的正確仍要處理進(jìn)位信號(hào)。(換句話說，add16模塊執(zhí)行16bit的a+b+cin，而頂層模塊執(zhí)行32bit的a+b)

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
outputlogic[31:0]sum
);

wirelogic[15:0]sum_temp0,sum_temp1;
varlogiccout1;
add16d1(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(1'd0),
.sum(sum_temp0),
.cout(cout1)
);

add16d2(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(cout1),
.sum(sum_temp1),
.cout()
);

assignsum={sum_temp1,sum_temp0};
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)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(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 25-Module fadd

題目說明

在本練習(xí)中，將創(chuàng)建具有兩個(gè)層次結(jié)構(gòu)的電路。top_module將實(shí)例化add16（提供）的兩個(gè)副本，每個(gè)副本將實(shí)例化add1（必須自己編寫）的 16 個(gè)副本。因此，必須編寫兩個(gè)模塊：top_module和add1。與Problem 24: Adder 1(Module add)一樣，提供給您一個(gè)執(zhí)行16bit的加法的模塊。您需要實(shí)例化兩個(gè)16bit加法模塊來實(shí)現(xiàn)32bit加法器。一個(gè)add16計(jì)算加法結(jié)果的低16位，另一個(gè)計(jì)算結(jié)果的高16位。您的32位加法器同樣不需要處理進(jìn)位輸入(假設(shè)為0)和進(jìn)位輸出(無需進(jìn)位)信號(hào)。

如下圖所示，將add16模塊連接在一起，給出的add16模塊如下：

moduleadd16(input[15:0]a,input[15:0]b,inputcin,output[15:0]sum,outputcout);

在每個(gè)add16中，16 個(gè)全加器（模塊add1，未提供）被實(shí)例化以實(shí)際執(zhí)行加法。必須編寫具有以下聲明的完整加法器模塊：

moduleadd1(inputa,inputb,inputcin,outputsum,outputcout);

回想一下，全加器計(jì)算 a+b+cin 的和和進(jìn)位。

綜上所述，本設(shè)計(jì)共有三個(gè)模塊：

top_module— 頂級(jí)模塊包含兩個(gè)add16

add16 — 一個(gè) 16 位加法器模塊，由 16 個(gè)add1組成

add1 — 1 位全加器模塊。

如果提交缺少add1模塊，將收到一條錯(cuò)誤消息，內(nèi)容為：

Error(12006):Nodeinstance"user_fadd[0].a1"instantiatesundefinedentity"add1".

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
output[31:0]sum
);

題目解析

只比上一題復(fù)雜些，核心內(nèi)容沒變。

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
outputlogic[31:0]sum
);//

wirelogiccout;

add16u1_add16(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(1'd0),
.sum(sum[15:0]),
.cout(cout)
);

add16u2_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(cout),
.sum(sum[31:16]),
.cout()
);

endmodule

moduleadd1(inputlogica,
inputlogicb,
inputlogiccin,
outputlogicsum,
outputlogiccout
);

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

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)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(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 26-Module_cseladd

題目說明

上一個(gè)練習(xí)中(Problem 25: Adder 2(Module fadd))實(shí)現(xiàn)的加法器應(yīng)該叫做行波進(jìn)位加法器(RCA: Ripple-Carry Adder)。這種加法器的缺點(diǎn)是計(jì)算進(jìn)位輸出的延遲是相當(dāng)慢的(最壞的情況下，來自于進(jìn)位輸入)。并且如果前一級(jí)加法器計(jì)算完成之前，后一級(jí)加法器不能開始計(jì)算。這又使得加法器的計(jì)算延遲變大。

一種改進(jìn)是進(jìn)位選擇加法器，如下所示。第一級(jí)加法器與之前相同，但我們復(fù)制第二級(jí)加法器，一個(gè)假設(shè)進(jìn)位=0，一個(gè)假設(shè)進(jìn)位=1，然后使用快速2對(duì)1多路復(fù)用器選擇哪個(gè)結(jié)果碰巧是正確的。

在本練習(xí)中，將獲得與上一個(gè)練習(xí)相同的模塊add16，該模塊將兩個(gè) 16 位數(shù)字與進(jìn)位相加，并產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位和 16 位和。必須實(shí)例化其中的三add16來構(gòu)建進(jìn)位選擇加法器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)16bit的2選1選擇器來選擇結(jié)果。

如下圖所示將模塊連接在一起。提供的模塊add16具有以下聲明：

moduleadd16(input[15:0]a,input[15:0]b,inputcin,output[15:0]sum,outputcout);

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
output[31:0]sum
);

題目解析

這題是上一題的改進(jìn)版本的加法器，其實(shí)這也是我們數(shù)電上學(xué)到的CSA(Carry-Select Adder，選擇進(jìn)位加法器)，其相對(duì)于行波進(jìn)位加法器延遲小一半左右，但是其是利用資源換取的，所以相應(yīng)消耗的資源增加約一倍。

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
outputlogic[31:0]sum
);

wirelogiccout_sel;
wirelogic[15:0]upperbit_sum0,upperbit_sum1;
add16u0_add16(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(1'd0),
.sum(sum[15:0]),
.cout(cout_sel)
);

add16u1_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(1'd0),
.sum(upperbit_sum0),
.cout()
);

add16u2_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(1'd1),
.sum(upperbit_sum1),
.cout()
);

always_comb
begin
uniquecase(cout_sel)

1'd0:sum[31:16]=upperbit_sum0;
1'd1:sum[31:16]=upperbit_sum1;
default:sum[31:16]=upperbit_sum0;
endcase
end
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)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(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

Problem 27-Module addsub

題目說明

減法器可以通過選擇性地取反一個(gè)輸入而從加法器構(gòu)建，這相當(dāng)于將輸入反相然后加 1。最終結(jié)果是一個(gè)可以執(zhí)行兩種操作的電路：(a + b + 0) 和 ( a + ~b + 1)。

題目要求構(gòu)建下面的加減法器。

提供了一個(gè) 16 位加法器模塊，需要對(duì)其進(jìn)行兩次實(shí)例化：

moduleadd16(input[15:0]a,input[15:0]b,inputcin,output[15:0]sum,outputcout);

每當(dāng)sub為 1 時(shí)，使用 32 位寬的 XOR 門來反轉(zhuǎn)b輸入。（這也可以被視為b[31:0]與sub復(fù)制32次相異或)。同時(shí)sub信號(hào)連接到加法器的進(jìn)位。

圖片來自 HDLBits

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
inputsub,
output[31:0]sum
);

題目解析

這個(gè)題目考察的是減法器，這里就用到數(shù)電小常識(shí)：減去一個(gè)數(shù)等于加上這個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼(就是題中的按位取反再加1)。

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
inputlogicsub,
outputlogic[31:0]sum
);

wirelogiccout_0;
wirelogic[31:0]b_reverse;
assignb_reverse=b^{32{sub}};

add16u1_add16(
.a(a[15:0]),
.b(b_reverse[15:0]),
.cin(sub),
.sum(sum[15:0]),
.cout(cout_0)
);


add16u2_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b_reverse[31:16]),
.cin(cout_0),
.sum(sum[31:16]),
.cout()
);
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)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(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

這一題就結(jié)束了。

審核編輯：劉清