用VHDL语言编写的基于IP核的乘法器

基于IP核的数选式浮点矩阵相乘
在科学计算中，需要大量的矩阵运算，而矩阵运算中乘法运算是其他运算的基础，如能提高嵌入式系统中浮点矩阵乘法运算的速度，则可加快其他类型的矩阵运算速度。

目前实现浮点矩阵运算的方法，有直接使用VHDL语言编写的浮点矩阵相乘处理单元[1]，关键技术是乘累加单元的设计，通常依据设计者的编程水平决定硬件性能。

同样，FPGA厂商也推出了一定规模的浮点矩阵运算IP核[2]，其应用针对本厂家器件，且经过专业调试和硬件实测，性能稳定且优于手写代码，但还有一些可改进的地方。

本文基于Altera的算法IP核，采用数选方式对矩阵运算中的单精度浮点矩阵相乘进行改进，可推广到阶数更高的矩阵运算和双精度浮点、复数单精度浮点运算中。

1 浮点矩阵相乘的IP核原理
Altera公司推出的浮点矩阵相乘IP核ALTFP_MATRIX_MULT，适。

fpga中乘法运算符和乘法ip核在FPGA中，乘法运算可以使用硬件描述语言（HDL）直接实现，也可以使用乘法器IP核（Intellectual Property，知识产权）进行计算。

以下是这两种方法的详细介绍：1. 直接使用乘法运算符在FPGA中，可以直接使用乘法运算符（*）进行乘法计算。

以Verilog 为例，以下是一个简单的8位乘法器的代码：```verilogmodule multiplier(input [7:0] A, input [7:0] B, output [15:0] P);reg [15:0] product;always @(*) beginproduct = A * B;P = product;endendmodule```2. 乘法IP核FPGA中常用的乘法IP核有DSP48E1、UPPER_BOUND等。

以DSP48E1为例，介绍如何使用乘法IP核实现乘法运算：首先，根据Xilinx官网提供的DSP48E1乘法器IP核例程，下载并配置相应的IP核。

然后，在HDL代码中调用乘法器IP核。

以下是一个简单的调用示例：```verilogmodule multiplier(input [7:0] A, input [7:0] B, output [15:0] P);wire [31:0] dsp_product;dsp48e1_multiplier multiplier_inst(.A(A), .B(B), .P(dsp_product));assign P = dsp_product[15:0];endmodule```在这个示例中，我们调用了DSP48E1乘法器IP核，并将结果输出到名为dsp_product的线路上。

最后，将结果dsp_product[15:0]赋值给输出端口P。

总结：在FPGA中，乘法运算可以直接使用乘法运算符实现，也可以使用乘法IP核进行计算。

直接使用乘法运算符的方法较为简单，但可能需要更多的硬件资源；而使用乘法IP核可以提高计算速度，但需要配置和调用相应的IP核。

Vivado乘法器IP核是Xilinx公司提供的一种可配置的IP核，可用于FPGA设备上的乘法运算。

在数字系统设计中，乘法运算是一种非常常见的操作，它在许多应用中都扮演着重要角色。

在FPGA设计中，由于乘法操作的复杂性，通常需要使用乘法器IP核来实现高效的乘法运算。

本文将从组合电路的角度探讨Vivado乘法器IP核的工作原理、应用场景以及优化策略。

一、Vivado乘法器IP核的工作原理Vivado乘法器IP核采用了一种高度优化的乘法器结构，可以实现高速、高效的乘法运算。

它通常包括多级逻辑门和寄存器组成的组合电路，可以灵活地配置为不同位宽的乘法器。

在实际的数字系统设计中，我们可以通过Vivado工具对乘法器IP核进行参数配置，以满足具体的需求。

二、Vivado乘法器IP核的应用场景Vivado乘法器IP核在数字信号处理、图像处理、通信系统等领域都有着广泛的应用。

在数字滤波器设计中，经常需要进行长乘法运算，Vivado乘法器IP核可以提供高速的乘法运算性能；在图像处理中，像素点的坐标变换、颜色空间转换等操作都需要进行大量的乘法运算，Vivado乘法器IP核可以加速这些计算过程；在通信系统中，信号的调制、解调、编码、解码等操作都需要进行复杂的乘法运算，Vivado乘法器IP核可以提供高性能的乘法运算能力。

三、Vivado乘法器IP核的优化策略为了充分发挥Vivado乘法器IP核的性能，我们可以采取一些优化策略。

可以对乘法器IP核的参数进行细致的配置，例如乘法器的位宽、延迟、级联等参数，以适应不同的应用场景。

可以结合FPGA的硬件资源进行优化设计，例如合理地分配布局、减少信号线的延迟、减小冗余逻辑等。

还可以使用Vivado工具提供的性能优化工具，对乘法器IP核进行时序分析、约束优化等操作，进一步提升乘法器IP核的性能。

Vivado乘法器IP核是一种功能强大、性能优越的IP核，可以为FPGA设计提供高效的乘法运算能力。

利用VHDL設計乘法器Implement of Multiplier by Using VHDL許地申Dih-Shen Hsu中華技術學院電機系副教授Associate ProfessorDepartment of Electrical EngineeringChina Institute of Technology摘 要在計算機結構裡加，減，乘，除是常被用到的運算，本文提出以非常高速積體電路硬體描述語言(VHDL)來描述硬體，說明如何將兩個運算元作相乘的運算。

我們首先以無號數整數做乘法運算來說明其原理，設計其電路結構。

其實在VHDL 程式中，我們更可以載入STD_LOGIC_ARITH與STD_LOGIC_UNSIGNED元件盒之後，直接進行乘法運算，既簡單又容易擴充。

最後，我們將以4-bit X 4-bit 的例子來做電路描述、電路合成、電路模擬並以七段顯示器將其結果顯示出來。

關鍵字：非常高速積體電路硬體描述語言、電路描述、電路合成、電路模擬AbstractWe have known operation that perform addition, subtraction, multiplication, and division. In this paper we are presented primarily to describe hardware using by VHDL. We can explain how multiplication may be performed for two operand. Multiplication of unsigned numbers illustrates the main issues involved in the design of multiplier circuit. In fact, after the STD_LOGIC_ARITH and STD_LOGIC_UNSIGNED packages were added to the VHDL program, it became not only simple but also easy to extended. Next, consider a 4 x 4 example to circuit description, circuit synthesis, and circuit simulation by using VHDL. Finally, this approach can also be displayed by 7-segment.Keyword : VHDL , circuit description , circuit synthesis, circuit simulation壹.簡介VHDL是Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 的英文縮寫。

Xilinx FPGA实验报告——基于IP核的乘法器的设计基于IP核的乘法器的设计1．实验内容1)利用ISE软件的IP核和VHDL进行混合设计一个16位的乘法器；2)用ISE进行仿真并且进行性能比较；2．实验目的1)熟悉Xilinx的ISE软件的使用和设计流程；2)掌握ISE仿真方法；3．实验环境1)PC机一台；2)Xilinx的ISE软件一套；4．实验原理图1给出了16位乘法器的原理图图1 两个16位乘法器的原理图图2 IP核乘法器的原理图Xilinx ISE的core generator提供了功能强大的IP（intellectual Property）核,主要有Basic Elements, Clocking, Communication &Networking , Digital Signal Processing, I/O Interface, Math Functions, Memories & Storage Elements, Standard Bus Interface。

通过使用这些IP核资源可以大大缩短设计周期，提高设计效率。

在本设计中，使用了IP核Math Function中的Multiplier资源。

通过GUI接口，可以很容易设计任意位的，有符号或无符号的乘法器。

图2给出了IP核提供的乘法器的原理图。

5．实验步骤1)打开ISE软件创建一个新的工程，并选择器件的类型；2)用IP核生成一个16位的乘法器multiplier1；3)用VHDL语言生成一个16位的乘法器multiplier2；4)用例化语句component，port map合成一个顶层文件top.vhd；5)调用ISE仿真器进行行为仿真，观察仿真结果；6)调用ISE仿真器进行时序仿真，观察仿真结果；6．实验结果1)代码顶层文件Multiply_top.vhdlibrary IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;entity Multiply_top isPort ( number1 : in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);number2 : in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);result1 : out STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0);result2 : out STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0);clock : in STD_LOGIC);end Multiply_top;architecture Behavioral of Multiply_top iscomponent Multiply port(A :in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);B: in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);CLK: in STD_LOGIC;P:out STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0));end component;component Multiply2 port(A :in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);B: in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);CLK: in STD_LOGIC;P:out STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0));end component;beginU0: Multiply port map(A=>number1,B=>number2,CLK=>clock,P=>result1);U1: Multiply2 port map(A=>number1,B=>number2,CLK=>clock,P=>result2);end Behavioral;乘法器Multiply2.vhdlibrary IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;entity Multiply2 isport(A :in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);B: in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);CLK: in STD_LOGIC;P:out STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0));end Multiply2;architecture Behavioral of Multiply2 isbeginP <= A*B;end Behavioral;测试文件：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;ENTITY test_top ISEND test_top;ARCHITECTURE behavior OF test_top IS-- Component Declaration for the Unit Under Test (UUT)COMPONENT Multiply_topPORT(number1 : IN std_logic_vector(15 downto 0);number2 : IN std_logic_vector(15 downto 0);result1 : OUT std_logic_vector(31 downto 0);result2 : OUT std_logic_vector(31 downto 0);clock : IN std_logic);END COMPONENT;--Inputssignal number1 : std_logic_vector(15 downto 0) := (others => '0');signal number2 : std_logic_vector(15 downto 0) := (others => '0');signal clock : std_logic := '0';--Outputssignal result1 : std_logic_vector(31 downto 0);signal result2 : std_logic_vector(31 downto 0);-- Clock period definitionsconstant clock_period : time := 10 ns;BEGIN-- Instantiate the Unit Under Test (UUT)uut: Multiply_top PORT MAP (number1 => number1,number2 => number2,result1 => result1,result2 => result2,clock => clock);-- Clock process definitionsclock_process :processbeginclock <= '0';wait for clock_period/2;clock <= '1';wait for clock_period/2;end process;-- Stimulus processstim_proc: processbegin-- hold reset state for 100 ns.wait for 100 ns;wait for clock_period*10;-- insert stimulus herenumber1 <= "0000000011111111";number2 <= "0000000011111111";wait;end process;END;2)行为仿真7．实验总结两种方式得到的结果都是一样的。

i ii 《现代电子技术》20 05 年第 18 期总第 20 9 期þ 集 成 电 路 ü基于 VH DL 语言的组合乘法器设计与仿真刘姝延1 , 吴 志2 , 丁 红1 , 马秋明1( 1. 烟台师范学院 物理与电子工程学 院 山东 烟台 26 40 25; 2 . 烟台师范学院 基建处 山东 烟台 26 40 25 )摘 要: 基于 V H DL 的数字系统设计具有设计技术 齐全、方法灵活、支持广泛等优点, 同时也是 E DA 技术的重要 组成 部分。

文章用 V H DL 语言设计了左移法和进位节省法实现的两种组 合乘法器, 通过功能仿真 , 对两种乘法器的性能进 行了 比较, 从而得知后者的传输延迟时间小, 即速度较快 。

通过设 计实例, 介绍了利用 VH D L 语言进行数字系统设计的方法。

关键词: V H D L ; 组合乘法器; 左移法; 进位节省法中图分类号: T N 7 9 文 献标识码: B 文章编号: 1 00 4 37 3X ( 2 00 5) 18 0 77 0 2Design an d Simulation of Combin a tion a l Mu l t ip l ier Based on VH DL LanguageL I U Sh u y a n 1 , WU Zh i 2 , D I N G H o n g 1 , MA Q i u m i n g 1( 1 . Scho o l o f P hy s i cs a nd Elect ro nic E ng ineer ing , Ya nt ai Nor m a l Un iver si t y, Yant ai, 2 64 02 5, Ch ina;2 . Dep ar tmen t of Basic Bu ilding , Ya nt ai Nor m a l Un iver si t y, Yan t ai, 2 64 02 5, Ch ina)Abs t r a ct : Dig i t a l s y s t e ms u s i n g V H D L h a s t h e adv a n t a ges of comp r eh e n s i v e d e s i gn t e ch n o l o g i e s , fl e xi b l e des i g n met ho d s an d w i dera ng e s u p p o r t , it ′s al s o an i m po r t ant comp o n e n t o f E D A . T he co m b i n a t i o n a l mul t i p l i er s t o us e t w o met h o d s of left sh i f t s an d car rys a ve ar e des i g n e d i n V H D L la ng u a ge , by fun c t i o n a l s i mu l a t i o n , comp a r in g t h e pecu l i a ri t y o f t wo m ul t i p i er s , fi n d t h e car ry s a ve mu l t i - pl i er ′s del a y s h o r t e r , s p e ed fa st er. T h r o u g h d e si g n ex a mp l es , t h i s p a per in t r od u c es t h e met h o d of di g it al s y s t e ms des i g n based o nV H D L .Ke yw o rd s : VH D L ; comb i n a t i o n a l m ul t i p l i er ; met h o d o f left sh i ft ; met h o d o f carr y s a ve1 引 言随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展, 传统 的通过 逻辑图 和布尔方 程设计 硬件电路 的方法 已大大落 后于当今 技术的发展, 取而代之 的是硬件描 述语言 H D L 使 用通用逻辑元、器件的限制, 电路尺寸大为缩小, 保密 程度大为提高。

乘法器vhdl课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解乘法器的原理及其在数字信号处理中的应用。

2. 掌握VHDL语言的基本语法和结构，能够使用VHDL进行简单的程序编写。

3. 学习并掌握利用VHDL设计乘法器的方法，理解其位运算和结构设计。

技能目标：1. 能够运用所学知识，独立设计并实现一个简单的乘法器VHDL程序。

2. 培养学生利用电子设计自动化（EDA）工具进行代码编写、仿真和测试的能力。

3. 提高学生的问题分析能力，学会使用VHDL解决实际的数字电路设计问题。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对于电子信息和数字电路设计的兴趣，激发学生创新精神和探索欲望。

2. 增强团队合作意识，通过小组讨论和协作，提高学生之间的沟通能力和协作解决问题的能力。

3. 强化学生的工程伦理观念，了解所学技术在国家经济发展和国防建设中的重要性，树立正确的价值观。

本课程针对高年级电子信息工程及相关专业学生设计，结合学生已具备的基础知识和课程性质，以实践性和应用性为导向，旨在通过具体的乘法器VHDL课程设计，将理论知识与实践技能相结合，提升学生解决实际工程问题的能力。

通过本课程的学习，学生应能够展示出上述具体的学习成果。

二、教学内容1. 乘法器原理回顾：包括乘法器的基本工作原理，不同类型的乘法器结构对比，以及乘法器在数字信号处理中的应用。

- 相关教材章节：第三章“数字电路基础”，第5节“算术逻辑单元”。

2. VHDL语言基础：VHDL的基本语法，数据类型，信号与变量，运算符，顺序与并行语句，进程，实体和架构等。

- 相关教材章节：第五章“硬件描述语言VHDL”，第1-3节。

3. 乘法器的VHDL设计方法：- 位运算乘法器设计原理与实现。

- 流水线乘法器设计原理与实现。

- 相关教材章节：第五章“硬件描述语言VHDL”，第4节“VHDL设计实例”；第六章“数字信号处理器的硬件实现”，第2节“乘法器的硬件实现”。

4. EDA工具的应用：利用EDA工具进行VHDL代码的编写、编译、仿真和测试。

基于FPGA 的VHD1语言设计控制器SJA1000的IP 软核设计 分析了CAN 控制器SJA1ooO 的特点及CAN 协议通信格式。

设计了控制器SJA1OOO 的IP 软核，能为应用提供一个性能优良的、易于移植的控制器SJA1000,实现了对步进电机的控制。

控制局域网（CAN ）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

与一般的通信总线相比，CAN 总线的数据通信可靠性、实时性和灵活性好，应用领域非常广泛，通常基于ARM 或51单片机,实现与CAN 控制器的通信联络。

与GA /SoPC 技术是实现嵌入式系统的最高形式,基于IP 软核的设计与应用也必将成为替代硬核的一种发展趋势。

凭借QUartUSI1和NiosII 工具，基于FPGA 的VHD1（或VeriIog ）语言设计的IP 核能够提供灵活性和性能更好的控制器。

图1为一个基于FPGA 的控制器的CAN 总线节点。

其中PCA82C251是CAN 总线接收器，SJA1OOO 是CAN 总线通信控制器，PMM8713是驱动步进电机的脉冲分配器，FPGA 模块在节点模型中对SJAIooO 进行控制，并将接收到的帧信息进行处理，发送给脉冲分配器，以驱动步进电机。

在设计中采用自顶向下的设计方法。

通过分析SJΛ1000常用的控制芯片51单片机的功能，将其分为主要的4个模块：初始化模块、位查询模块、数据处理模块和缓冲区释放模块。

对SJA1000完成控制功能的过程用状态图描述如图2所示，这也是系统的主状态机。

4个状态对应上述的4个功能模块，首先在ini11a1_st-ate 完成对SJA1OOO 的初始化，在由init_end 值号给出初始化完成标志后，进入查询状态，即queerRBS 状态，由位看询模块完成此时对SJA1OO0的状态查询。

如果查询到SJA1OOo 缓冲区有帧信息,将qRBSend 置“1”,进入下一个状态frame_cope,即帧处理状态，此时由数据处理模块完成对缓冲区的数据读取，并作处理。

在计算机结构里加，减，乘，除是常被用到的运算，本文提出以非常高速积体电路硬体描述语言(VHDL)来描述硬体，说明如何将两个运算元作相乘的运算。

我们首先以无号数整数做乘法运算来说明其原理，设计其电路结构。

其实在VHDL 程式中，我们更可以载入STD_LOGIC_ARITH与STD_LOGIC_UNSIGNED元件盒之后，直接进行乘法运算，既简单又容易扩充。

最后，我们将以4-bit X 4-bit的例子来做电路描述、电路合成、电路模拟并以七段显示器将其结果显示出来。

关键字：非常高速积体电路硬体描述语言、电路描述、电路合成、电路模拟Abstract We have known operation that perform addition, subtraction, multiplication, and division. In this paper we are presented primarily to describe hardware using by VHDL. We can explain how multiplication may be performed for two operand. Multiplication of unsigned numbers illustrates the main issues involved in the design of multiplier circuit. In fact, after the STD_LOGIC_ARITH and STD_LOGIC_UNSIGNED packages were added to the VHDL program, it became not only simple but also easy to extended. Next, consider a 4 x 4 example to circuit description, circuit synthesis, and circuit simulation by using VHDL. Finally, this approach can also be displayed by 7-segment.Keyword : VHDL , circuit description , circuit synthesis, circuit simulation利用VHDL 设计乘法器一．简介VHDL是V ery High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 的英文缩写。

VHDL实验四LPM使用及４×４乘法器的设计一．实验目的1．学习用帮助功能查看元件的说明。

2．学习在文本和图形编辑中调用LPM（参数化模块）。

3．深入学习用复杂可编程逻辑器件进行电子系统设计的方法。

二、实验仪器1．PC机一台。

2．KHF-1/KHF-2/KHF-3/KHF-4/KHF-5 CPLD/FPGA实验开发系统一套。

三．实验要求1．复习数字电路进行乘法器设计的方法。

2．预习实验内容。

3．用图形和文本两种方法进行设计。

四、实验内容和步骤１．图形方法设计电路（１）建立一个新项目，新建图形编辑文件。

（２）在Ｅnter Ｓymbol对话框Symbol Libraries 项中选向导；（３）完成向导后得出下图（４）加入输入输出引脚，电路如图3-7所示。

a[3..0] ~sw1 p103(最高位),sw2 p104,sw3 p111,sw4 p112b[3..0] ~sw5 p113(最高位),sw6 p114,sw7 p115,sw8 p116result［7..0］~由串行数码管显示，见实验2（５）编译并进行管脚分配（由用户自行指定）。

（６）后编译。

启动下载软件进行下载。

２．文本编辑输入（１）重新创建一个项目，新建文本输入文件．参考程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity yima isport(input:in std_logic_vector(7 downto 0);a:out std_logic_vector(6 downto 0);b:out std_logic_vector(6 downto 0));end yima;architecture arch_twelveto1 of yima isbeginwith input(7 downto 4) selectb<="0110000"when"0001", --1"1101101"when"0010", --2"1111001"when"0011", --3"0110011"when"0100", --4"1011011"when"0101", --5"1011111"when"0110", --6"1110000"when"0111", --7"1111111"when"1000", --8"1111011"when"1001", --9"1110111"when"1010", --A"0011111"when"1011", --B"1001110"when"1100", --C"0111101"when"1101", --D"1001111"when"1110", --E"1000111"when"1111", --F"1111110"when others; --0with input(3 downto 0) selecta<="0110000"when"0001", --1"1101101"when"0010", --2"1111001"when"0011", --3"0110011"when"0100", --4"1011011"when"0101", --5"1011111"when"0110", --6"1110000"when"0111", --7"1111111"when"1000", --8"1111011"when"1001", --9"1110111"when"1010", --A"0011111"when"1011", --B"1001110"when"1100", --C"0111101"when"1101", --D"1001111"when"1110", --E"1000111"when"1111", --F"1111110"when others; --0end arch_twelveto1;（2）编译，并进行管脚分配。