11-乘法器

一、概述利用四位二进制寄存器、全加器以及D触发器等元器件，实现四位二进制乘法器的控制部分和乘法的实现部分。

成法是加法的简便运算乘法运算只能通过加法运算以及移位运算来实现。

在控制端用四个触发器产生四个控制信号来控制实现的加法移位功能，实现端在控制端信号作用下依次执行置零、加法、移位和循环操作。

二、方案说明设计一个4位二进制乘法器，可以存储其乘积。

电路原理框图如图1所示。

乘法器可以利用家发起和寄存器实现。

图1 乘法器原理框图寄存器B存放被乘数，寄存器Q存放乘数，两个乘积长度可能是原来的2倍，故计算完成后将累加和高位放入寄存器A，而Q放寄存器的低位，P 记录乘数的位数，每形成一个部分P加1，当P=4时，乘法结束，两数之积放在AQ寄存器中。

控制端产生四个控制信号分别为T0、T1、T2、T3。

在初态T0时，被乘数和乘数已分别存于寄存器B和Q中，等待启动信号S的到来，当S=1时控制器进入状态T1，在此状态下A、E、P清零，准备乘法操作。

从状态T2开始，控制器进入累计部分积的循环操作过程。

首先检验乘数的最低有效位Q1。

如Q1=1，A和B相加结果存于A和E之中；如果Q1=0，不做加法运算。

无论Q1为何值，都要将计数器P加1。

在状态T3，合成寄存器EAQ右移一位得到累计的部分积，时检测P之值，如果P不等于4，状态返回T2，继续累计部分积的过程。

如果P=4，停止循环，系统返回初始状态T0。

三、电路设计1、控制器设计根据图2所示的ASM图表，可以设计二进制乘法器的控制器。

图2 二进制乘法器ASM图表四个D触发器的驱动方程为：D0=T0S’+T3Z=((T0S’)’·(T3Z)’)’D1=T0S=((T0S)’)’D2=T1+T3Z’=(T1’·(T3Z’)’)’D3=T2控制器仿真电路如图2所示。

控制器中S为启动信号，高电平有效，系统开始工作时应使T0=1，T1=T2=T3=0，故图中设置了Reset信号（负脉冲）图2 二进制乘法器的控制逻辑图2. 二进制乘法器数据处理器(1) A寄存器A寄存器具有并入、移位、同步清0和保持功能。

乘法器的verilog实现（并⾏、移位相加、查找表）并⾏乘法器，也就是⽤乘法运算符实现，下⾯的代码实现8bit⽆符号数的乘法。

代码：1module mult_parrell(rst_n,2 clk,3 a,4 b,5 p6 );7parameter DATA_SIZE = 8;89input rst_n;10input clk;11input [DATA_SIZE - 1 : 0] a;12input [DATA_SIZE - 1 : 0] b;1314output [2*DATA_SIZE - 1 : 0] p;1516reg [DATA_SIZE - 1 : 0] a_r;17reg [DATA_SIZE - 1 : 0] b_r;1819wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] p_tmp;20reg [2*DATA_SIZE - 1 : 0] p;2122//输⼊数据打⼀拍23always@(posedge clk)24if(!rst_n)25begin26 a_r <= 8'd0;27 b_r <= 8'd0;28end29else30begin31 a_r <= a;32 b_r <= b;33end3435assign p_tmp = a*b; //只能做⽆符号数的相乘，若要做有符号数乘法，需将数据声明为signed类型3637//输出数据打⼀拍38always@(posedge clk)39if(!rst_n)40begin41 p <= 16'd0;42end43else44begin45 p <= p_tmp;46end4748endmodule移位相加乘法器，下⾯的代码可实现8bit有符号数的相乘，注意符号扩展以及MSB位的处理：//输⼊数据取反assign a_r_inv = ~a_r + 1;assign a_shift0 = b_r[0] ? {{8{a_r[7]}},a_r} : 0;assign a_shift1 = b_r[1] ? {{7{a_r[7]}},a_r,1'b0} : 0;assign a_shift2 = b_r[2] ? {{6{a_r[7]}},a_r,2'b0} : 0;assign a_shift3 = b_r[3] ? {{5{a_r[7]}},a_r,3'b0} : 0;assign a_shift4 = b_r[4] ? {{4{a_r[7]}},a_r,4'b0} : 0;assign a_shift5 = b_r[5] ? {{3{a_r[7]}},a_r,5'b0} : 0;assign a_shift6 = b_r[6] ? {{2{a_r[7]}},a_r,6'b0} : 0;assign a_shift7 = b_r[7] ? {{1{a_r_inv[7]}},a_r_inv,7'b0} : 0; //被乘数为⽆符号数时，特别处理代码：1module mult_shift_add(rst_n,2 clk,3 a,4 b,5 p6 );7parameter DATA_SIZE = 8;89input rst_n;10input clk;11input [DATA_SIZE - 1 : 0] a;12input [DATA_SIZE - 1 : 0] b;1314output [2*DATA_SIZE - 2 : 0] p;1516//输⼊数据打⼀个时钟节拍17reg [DATA_SIZE - 1 : 0] a_r;18reg [DATA_SIZE - 1 : 0] b_r;1920//输⼊数据取反21wire [DATA_SIZE - 1 : 0] a_r_inv;2223//输⼊数据移位24wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift0;25wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift1;26wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift2;27wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift3;28wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift4;29wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift5;30wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift6;31wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] a_shift7;3233//输出数据打⼀个时钟节拍34wire [2*DATA_SIZE - 1 : 0] p_tmp;35reg [2*DATA_SIZE - 1 : 0] p;3637//输⼊数据打⼀个时钟节拍38always@(posedge clk)39if(!rst_n)40begin41 a_r <= 8'd0;42 b_r <= 8'd0;43end44else45begin46 a_r <= a;47 b_r <= b;48end49//输⼊数据取反50assign a_r_inv = ~a_r + 1;5152//输⼊数据移位，注意符号扩展，不仅仅是最⾼位扩展53//对每⼀个bit都需扩展54assign a_shift0 = b_r[0] ? {{8{a_r[7]}},a_r} : 0;55assign a_shift1 = b_r[1] ? {{7{a_r[7]}},a_r,1'b0} : 0;56assign a_shift2 = b_r[2] ? {{6{a_r[7]}},a_r,2'b0} : 0;57assign a_shift3 = b_r[3] ? {{5{a_r[7]}},a_r,3'b0} : 0;58assign a_shift4 = b_r[4] ? {{4{a_r[7]}},a_r,4'b0} : 0;59assign a_shift5 = b_r[5] ? {{3{a_r[7]}},a_r,5'b0} : 0;60assign a_shift6 = b_r[6] ? {{2{a_r[7]}},a_r,6'b0} : 0;61assign a_shift7 = b_r[7] ? {{1{a_r_inv[7]}},a_r_inv,7'b0} : 0; //被乘数为⽆符号数时，特别处理6263assign p_tmp = a_shift0 + a_shift1 + a_shift2 + a_shift3 + a_shift464 + a_shift5 + a_shift6 + a_shift7;6566always@(posedge clk)67if(!rst_n)68begin69//p <= 16'd0;70 p <= 15'd0;71end72else73begin74//p <= p_tmp[15:0];75 p <= p_tmp[14:0];76end7778endmoduletestbench：1module mult_shift_add_tb;23// Inputs4reg rst_n;5reg clk;6reg [7:0] a;7reg [7:0] b;89// Outputs10wire [14:0] p;1112// Instantiate the Unit Under Test (UUT)13 mult_shift_add uut (14 .rst_n(rst_n),15 .clk(clk),16 .a(a),17 .b(b),18 .p(p)19 );2021parameter CLK_PERIOD = 10;2223initial begin24 rst_n = 0;25 clk = 0;2627 #100;28 rst_n = 1;29end3031always #(CLK_PERIOD/2) clk = ~clk;3233always@(posedge clk)34if(!rst_n)35begin36 a = 8'd0;37 b = 8'd0;38end39else40begin41 a = a + 1;42 b = b - 1;43end4445endmoduleISIM仿真结果：移位相加乘法器树：将assign p_tmp = a_shift0 + a_shift1 + a_shift2 + a_shift3 + a_shift4 + a_shift5 + a_shift6 + a_shift7;换为：assign sum_01 = a_shift0 + a_shift1;assign sum_23 = a_shift2 + a_shift3;assign sum_45 = a_shift4 + a_shift5;assign sum_67 = a_shift6 + a_shift7;assign sum_0123 = sum_01 + sum_23;assign sum_4567 = sum_45 + sum_67;assign p_tmp = sum_0123 + sum_4567;就成为乘法器树。

乘法器真值表
乘法器是一种电子数字逻辑电路，它可以将两个二进制数相乘。

乘法器的真值表描述了它的输入和输出之间的关系。

一个简单的4位乘法器的真值表如下所示：
输入A 输入B 输出
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
在这个真值表中，输入A和B分别表示乘法器的两个输入位。

输出表示乘法器的输出位。

根据真值表，我们可以看出，当A和B都为1时，输出位为1，表示两个数相乘的结果为1。

其它情况下，输出位都为0，表
示两个数相乘的结果为0。

真值表可以进一步扩展为更多位数的乘法器，以实现更复杂的计算。

真值表是设计和分析电子数字逻辑电路的重要工具之一。

实验十一相乘器调幅电路
内容：
一、构建相乘器调幅电路，电路元件参数如下图：
图中模拟乘法器由电源元件库——CONTROL-FUNCTION-BLOCKS——MULTIPLIER（相乘器）调出
二、1、用示波器观察调幅电路输出波形：载波频率是否与输入载波频率一致；
包络波形是否与输入低频信号一致
参考时基标度：200 us/Div或500us/Div、
(将输出波形粘贴到此)
2、用傅立叶分析观察输出调幅信号频谱成分
菜单栏：仿真—分析—傅立叶分析—分析参数设置（如下图）
分析输出对象选V（4）后。

点击“仿真”。

观察其频谱。

（将频谱图粘贴到此）
对象分别选输入量V（2），观察其频谱（将频谱图粘贴到此）
对象分别选输入量V（1），观察其频谱（将频谱图粘贴到此）
三、变更参数，用示波器观察输出波形
1、将直流电压V3更改为1V（此时调幅度为1），用示波器观察输出信号波形。

(将输出波形粘贴到此)
2、将直流电压V3更改为0.6V（此时调幅度>1），用示波器观察输出信号波形。

(将输出波形粘贴到此)
3、将直流电压V3更改为0V（或短路取消V3），用傅立叶分析观察输出信号频谱（将频谱图粘贴到此）
用示波器观察输出信号波形(将输出波形粘贴到此)。