超前进位加法器设计

超前进位加法器的设计原理概述及解释说明1. 引言1.1 概述超前进位加法器是一种用于在数字电路中进行二进制数的加法运算的特殊电路。

相较于传统的二进制加法器，超前进位加法器通过预先计算进位，从而实现更快速的运算。

本文旨在对超前进位加法器的设计原理进行概述和解释说明。

1.2 文章结构本文分为五个主要部分，分别是引言、超前进位加法器的设计原理、实现步骤和流程、优势与应用范围以及结论。

首先介绍引言部分，接下来详细解释超前进位加法器的设计原理，然后说明实现步骤和流程。

之后介绍该加法器的优势及其应用范围，并最后得出结论。

1.3 目的本文旨在向读者阐明超前进位加法器的设计原理并提供相关解释说明。

对于数字电路领域的研究者和工程师而言，了解超前进位加法器背后的原理可以帮助他们更好地应用这一技术，并且展示其在优势与应用范围方面所具备的潜力。

2. 超前进位加法器的设计原理2.1 超前进位加法器的定义和背景超前进位加法器是一种常用于数字电路中的加法器，用来实现两个二进制数的相加操作。

与传统的普通进位加法器不同，超前进位加法器在进行计算时能够提前计算并预测进位信号，从而减少计算时间并提高加法运算速度。

2.2 原理解释超前进位加法器采用了两级运算的方式，利用了先行进位预测的思想，以优化传统加法器的运算效率。

其基本原理如下：- 首先，对于每一位（bit）进行相应位置的逻辑门电路设计。

- 然后，在相邻位之间引入前导输入（Generate input）和进位输出（Carry output），这样可以使得下一级可以预测到当前级别产生的所有可能进位。

- 通过与门、或门和异或门等逻辑门之间巧妙的组合连接，实现了高速、低功耗的超前进位运算。

超前进位加法器主要依靠已知最高有效输入块(G代表Generate, P代表Propagate, C代表Carry In) 确定其对应输出(S代表Sum, C代表Carry Out)，并将这些信息传递给下一级加法器。

数字集成电路课程设计题目：4 bits超前加法进位器地全定制设计姓名：席高照学号： 111000833学院：物理与信息工程学院专业：微电子（卓越班）年级： 2010级指导教师：陈群超（签名）2013 年 6 月 3 日目录第1章概述 01.1课程设计目地.......................................... 错误！未定义书签。

1.2课程设计地主要内容.................................... 错误！未定义书签。

1.2.1设计题目.......................................... 错误！未定义书签。

1.2.2设计内容.......................................... 错误！未定义书签。

第2章功能分析及逻辑分析 (2)2.1功能分析 (2)2.2推荐工作条件 (3)2.3电性能 (7)2.4真值表 ................................................ 错误！未定义书签。

2.5表达式 (6)2.6电路图...................................................................... 错误！未定义书签。

第3章电路设计与器件参数设计83.1性能指标： ............................................ 错误！未定义书签。

3.2模块划分 (7)3.2.1输出级电路设计 (7)3.2.2内部反相器 (9)3.2.3内部电路等效 (8)3.2.4输入级电路 (10)3.2.5输出缓冲级电路 (10)3.2.6输入、输出保护电路 (10)3.3本章小结 (10)第4章电路模拟与仿真................................................................................................... 错误！未定义书签。

加法器设计（三）超前进位加法器（Verilog）超前进位加法器module add4_head ( a, b, ci, s, pp, gg);input[3:0] a;input[3:0] b;input ci;output[3:0] s;output pp;output gg;wire[3:0] p;wire[3:0] g;wire[2:0] c;assign p[0] = a[0] ^ b[0];assign p[1] = a[1] ^ b[1];assign p[2] = a[2] ^ b[2];assign p[3] = a[3] ^ b[3];assign g[0] = a[0] & b[0];assign g[1] = a[1] & b[1];assign g[2] = a[2] & b[2];assign g[3] = a[3] & b[3];assign c[0] = (p[0] & ci) | g[0];assign c[1] = (p[1] & c[0]) | g[1];assign c[2] = (p[2] & c[1]) | g[2];assign pp = p[3] & p[2] & p[1] & p[0];assign gg = g[3] | (p[3] & (g[2] | p[2] & (g[1] | p[1] & g[0])));assign s[0] = p[0] ^ ci;assign s[1] = p[1] ^ c[0];assign s[2] = p[2] ^ c[1];assign s[3] = p[3] ^ c[2];endmodule首先要明确几个概念：p表示进位否决信号（pass），如果p为0就否决调前一级的进位输入。

否决的意思就是即使前一级有进位，本级也不会向后一级产生进位输出。

文档编号：GX_HW_0001文档分类：硬件技术文档访问权限：公开32位超前进位加法器总体设计方案Version 1.1版本信息版本日期描述作者V1.1 2011-10-07 采用超前进位链实现郭新32位超前进位加法器目录目录 (3)1.概述 (4)2.总体描述 (4)2.1.功能描述 (4)2.2.顶层框图 (4)2.3.引脚描述 (4)3.模块划分 (5)3.1 概述（叙述一下划分的几个大的模块） (5)3.2模块A (6)3.2.1功能定义 (6)3.2.2信号描述 (6)3.2.3 详细设计 (6)3.3模块B (7)3.3.1功能定义 (7)3.3.2信号描述 (7)3.3.3 详细设计 (7)3.4模块C (8)3.4.1功能定义 (8)3.4.2信号描述 (8)3.4.3 详细设计 (8)3.5模块D (9)3.5.1功能定义 (9)3.5.2信号描述 (9)3.5.3 详细设计 (9)4.验证方案 (10)5.设计开发环境 (10)6.源代码 (10)6.1顶层模块 (10)6.2模块A (12)6.3模块B (12)6.4模块C (13)6.5模块D (14)6.6测试模块 (15)6.7测试波形 (16)1.概述利用各位数据和最低位进位同时输入，各位之间的进位信号与和就能同时产生，实现超前进位加法器，这种加法器运算速度显著提高，但电路复杂程度也急剧增加。

2.总体描述2.1.功能描述超前进位逻辑从输入中读入进位、传播值和生成值等信息，计算每一位的进位值。

该逻辑产生进位值和加值，加值只是输入的异或。

进位值用4位超前进位块的三级树来计算。

2.2.顶层框图32bit_claa(31:0)b(31:0)cins(31:0)cout图2.1加法器顶层框图2.3.引脚描述表2.1 顶层接口信号描述名称输入/输出功能描述a 输入32位输入b 输入32位输入cin 输入低级进位输入s 输入32位输出cout 输入进位输出3.模块划分（各个模块中不涉及时序，时序分析略去。

《计算机组成原理》实验报告专业：学号：学生姓名：实验日期：实验二一、实验名称：超前进位加法器设计二、实验目的：1 掌握超前进位加法器的原理及其设计方法。

2 熟悉CPLD 应用设计及EDA 软件的使用。

三、实验设备：PC 机一台，TD-CMA 实验系统一套，排线若干。

四、实验内容：1.了解加法器的工作原理，掌握超前进位产生电路的设计方法.2.正确将电路原理图下载到试验箱中.3.正确通过实验箱连线实现4位二进制数的相加并得到正确结果五、实验原理：加法器是执行二进制加法运算的逻辑部件，也是CPU 运算器的基本逻辑部件（减法可以通过补码相加来实现）。

加法器又分为半加器和全加器（FA），不考虑低位的进位，只考虑两个二进制数相加，得到和以及向高位进位的加法器为半加器，而全加器是在半加器的基础上又考虑了低位过来的进位信号。

表1-2-1 1 位全加器真值表A、B 为2 个1 位的加数，Ci 为来自低位的进位，S 为和，Co 为向高位的进位，根据表1-2-1所示的真值表，可得到全加器的逻辑表达式为：S = ABCi + ABCi + ABCi + ABCiCo = AB+ ACi + BCi根据逻辑表达式，可得到如图1-2-1 所示的逻辑电路图。

有了 1 位全加器，就可以用它来构造多位加法器，加法器根据电路结构的不同，可以分为串行加法器和并行加法器两种。

串行加法器低位全加器产生的进位要依次串行地向高位进位，其电路简单，占用资源较少，但是串行加法器每位和以及向高位的进位的产生都依赖于低位的进位，导致完成加法运算的延迟时间较长，效率并不高。

C0 = 0Ci+1 = AiBi + AiCi + BiCi = AiBi + (Ai + Bi)Ci设gi = AiBipi = Ai + Bi则有：Ci+1 = gi + piCi= gi + pi(gi-1 + pi-1Ci-1)= gi + pi(gi-1 + pi-1(gi-2 + pi-2Ci-2))…= gi + pi (gi-1 + pi-1(gi-2 + pi-2(…(g0 + p0C0)…)))= gi + pigi-1 + pipi-1gi-2 + … + pipi-1…p1g0 + pipi-1…p1p0C0由于gi、pi 只和Ai、Bi 有关，这样Ci+1 就只和Ai、Ai-1、…、A0，Bi、Bi-1、…、B0 及C0有关。

第1章概述1.1 课程设计目的•综合应用已掌握的知识•熟悉集成电路设计流程•熟悉集成电路设计主流工具•强化学生的实际动手能力•培养学生的工程意识和系统观念•培养学生的团队协作能力1.2 课程设计的主要内容1.2.1 设计题目4bits超前进位加法器全定制设计1.2.2 设计要求整个电路的延时小于2ns整个电路的总功耗小于20pw总电路的版图面积小于60*60um1.2.3 设计内容功能分析及逻辑分析估算功耗与延时电路模拟与仿真版图设计版图数据提交及考核，课程设计总结第2章功能分析及逻辑分析2.1 功能分析74283为4位超前进位加法器，不同于普通串行进位加法器由低到高逐级进位，超前进位加法器所有位数的进位大多数情况下同时产生，运算速度快，电路结构复杂。

其管脚如图2-1所示：图2-1 74283管脚图2.2推荐工作条件（根据SMIC 0.18工艺进行修改）表2-1 SMIC 0.18工艺的工作条件2.3直流特性（根据SMIC 0.18工艺进行修改）表2-2 SMIC 0.18直流特性2.4交流（开关）特性（根据SMIC 0.18工艺进行修改）表2-3SMIC 0.18工艺交流（开关）特性2.5真值表表2-4 4位超前进位加法器真值表2.6表达式定义两个中间变量Gi和Pi：所以：进而可得各位进位信号的罗辑表达如下2.7电路原理图超前进位加法器原理：对于一个N位的超前进位组，它的晶体管实现具有N+1个并行分支且最多有N+1个晶体管堆叠在一起。

由于门的分支和晶体管的堆叠较多使性能较差，所以超前进位计算在实际中至多智能限制于2或4位。

为了建立非常快速的加法器，需要把进位传播和进位产生组织成递推的树形结构，如图2-2所示。

一个比较有效的实现方法是把进位传播层次化地分解成N位的子组合：Co,0=GO+POCi,0Co,1=G1+P1G0+P1P0 Ci,0=( G1+P1G0)+(P1P0) Ci,0=G1:0+P1:0 Ci,0Co,2=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0Ci,0=G2+P2Co,1 2-1 Co,3=G3+P3 G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0Ci,0=(G3+P3G2)+(P3P2)Co,1=G3:2+P3:2Co,1 在公式2-1中，进位传播过程被分解成两位的子组合。

试验二超前进位加法器设计练习2. 4位超前进位加法器行波进位加法器延时较长，可采用超前进位加法器减少延时，但是由此会造成电路的复杂。

超前进位加法器原理参见《数字集成电路》（周润德第二版）424页。

对以上公式的注解：公式中的C O,K 表示第K 为的进位输出，G K 为第K 位的进位产生，P K 为第K 为的进位传播。

且：K K KK K KG A B P A B ==⊕ A K ,B K 为输入加数的第K 位。

将Co 和S 用G,P 重写为： O ii C G PC S P C =+=⊕由于低位的输出进位是高位的输入进位，所以有上面的(11.15)式源程序：//this is a carry lookahead of 4bitmodule clad(ina,inb,ci,co,sum);input[3:0] ina,inb;input ci;output co;output[3:0]sum;wire co0,co1,co2,G0,G1,G2,G3,P0,P1,P2,P3;assignG0=ina[0]&inb[0],P0=ina[0]^inb[0],G1=ina[1]&inb[1],P1=ina[1]^inb[1],G2=ina[2]&inb[2],P2=ina[2]^inb[2],G3=ina[3]&inb[3],P3=ina[3]^inb[3],co0=G0|(P0&ci),co1=G1|(P1&co0),co2=G2|(P2&co1),co=G3|(P3&co2),sum[0]=P0^ci,sum[1]=P1^co0,sum[2]=P2^co1,sum[3]=P3^co2;endmodule测试程序：module clad_test;reg[3:0] ina,inb;reg ci;wire co;wire[3:0]sum;clad CI(.ina(ina),.inb(inb),.ci(ci),.co(co),.sum(sum)); initialbeginina=0;inb=0;ci=0;endalways #5 ina=ina+1'b1;always #80 inb=inb+1'b1;always #1280 ci=~ci;endmodule仿真结果：注：该结果为10进制显示练练手：参考《数字集成电路》（周润德第二版）420-421，设计一个16位的超前进位加法器，基本单元使用4位的加法器，结构自选。

超前进位加法器的设计分解沈阳航空航天大学课程设计报告课程设计名称：计算机组成原理课程设计课程设计题目：超前进位加法器的设计院（系）：计算机学院专业：计算机科学与技术班级：学号：姓名：指导教师：完成日期：2014年01月10日第2章详细设计方案2.1 顶层方案图的设计与实现顶层方案图主要实现一位全加器的逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，超前进位加法器电路的是实现基于XCV200可编程逻辑芯片。

在完成原理图的功能设计后，经过检测调试，把输入/输出信号通过引脚编号安排到XCV200指定的引脚上去，最终实现芯片的引脚锁定。

2.1.1顶层方案的整体设计顶层图形文件主要由2个四位超前进位加法器构成，总共17位输入，9位输出。

顶层图形文件由Xilinx Foundation F3.1软件编辑得到相应的模块，顶层图形的整体设计如下图2.1所示：图 2.1八位超前进位加法器整体设计图2.1.2元器件选择和引脚锁定（1）元器件的选择由于在设计的过程中，硬件设计环境是基于伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板，故采用的目标芯片为Xilinx XCV200可编程逻辑芯片。

（2）引脚锁定在Xilinx Foundation F3.1上面完成软件的设计之后，把顶层图形文件中的输入/输出信号用引脚编号安排到Xilinx XCV200芯片指定的引脚上去，从而实现芯片的设计电路的引脚锁定，各信号及Xilinx XCV200芯片引脚对应关系如下表2.1所示：表 2.1 信号和芯片引脚对应关2.2 功能模块的设计与实现在八位超前进位加法器和四位超前进位加法器的设计中均是采用Schematic 设计输入方式，而在四位超前进位加法器的设计中是由一列的门电路构成，最后在由2个四位超前进位加法器模块构成8位超前进位加法器。

可以扩展开来，16位，32位超前进位加法器原理类似8位的设计原理。

2.2.1 八位超前进位加法器的设计与实现(1)设计描述根据上面在1.1中讲述的四位超前进位加法器的设计原理那样，四位超前进位加法器的实现是建立在进位C1，C2，C3，C4的基础之上的。