三种高速乘法器的FPGA实现及性能比较
摘要：乘法是数字信号处理中重要的基本运算，在很大程度上影响着系统的性能。本文将介绍三种高速乘法器实现原理：阵列乘法器、华莱士(WT)乘法器、布斯华莱士树超前进位乘法器。而且通过FPGA技术实现了这三种乘法器，并对基于以上三种架构的乘法器性能进行了分析比较。
关键字：阵列乘法器，华莱士乘法器，超前进位乘法器，FPGA
1、引言
随着3G技术的发展，关于图像、语音、加密等数字信号处理技术随处可见，而且信号处理的实时性也要求越高。实时性即是要求对信号处理的速度要快，而乘法器是数字信号处理中重要的基本运算，在很大程度上影响着系统的性能。人们开始开发高速的乘法器。
以下将对三种乘法器：阵列乘法器、华莱士(WT)乘法器、布斯华莱士树超前进位乘法器进行原理分析，并用FPGA技术实现了这三种乘法器，对其结果进行了仿真，得出相应的性能比较。
2、阵列乘法器
2.1 阵列乘法器原理
硬件乘法器的常规设计是适用“串行移位”和“并行加法”相结合的方法，这种方法并不需要很多器件。然而串行方法毕竟太慢，执行一次乘法的时间至少是执行一次加法时间的n倍，不能满足科学技术对高速乘法所提出的要求。自从大规模集成电路问世以来，高速的单元阵列乘法器应运而生，出现了各种形式的流水线阵列乘法器，它们属于并行乘法器，提供了极快的速度。阵列乘法器的运算过程如下：
第一：当乘数的位数字为1 时,我们可以将被乘数的值直接放置适当的位置。而适当的位置是依乘数的第几个位和被乘数做运算之后所放的位置。
第二：当乘数的位数字为0 时，我们可以将0 放置适当的位置, 以作为部分乘积。
第三：我们利用笔和纸计算的乘法，在硬件中使用与门来实现。例如：1000 ×1中，乘数1 和每一个被乘数的位都个别做与运算,其结果为1000 正是我们所要的结果。由此可知我们只需用与门就可以完成我们所要的乘法。
第四：当部分乘积都运算完成后，使用加法来完成最终的乘法结果运算。
根据以上四点的说明，我们可以运用最简单、最直观的方式来描述固定点乘法器的电路描述。我们使用与门来做部分积运算，使用全加器(Full adder)来运算部分积的最终结果。图1所示为有符号位的6×6固定点乘法器的架构图。
HA
FA HA
FA
FA
HA
FA FA FA
HA FA FA FA FA HA
FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA
FA
图1 6×6有符号位阵列乘法器乘法器架构图
2.2 阵列乘法器FPGA 仿真
在名为comult 的实体中设置mulc 和mulp 两个输入端口和一个prod 输出端口。其中
mulc 代表被乘数，mulp 为乘数，二者均为6位。乘积prod 是一个12位的结果，输入与输出端口的数据类型均为std_logic_vector 。流程图如图2所示，仿真如图3所示。
图2 6x6有符号阵列乘法器流程图
图3 6x6有符号阵列乘法器仿真
3、华莱士乘法器原理
部分积相加, 若采用累加移位的方法, 速度太慢。华莱士树算法（Wallace Tree
Algorithm ）是部分积化简的一种树形算法。它使乘法器的延时得到最大限度的缩短，但全加阵列的布局布线复杂度大为增加。
一个全加器有三个输入: A , B , C (进位) 和两个输出S , C ′(输出进位) , 3个输入对2个输
出而言是对称的, 即它们互相交换位置, 结果不会受影响。如果把一串全加器简单排成一行, 它们之间进位线不连, 把这样一串全加器称为保留进位加法器(CSA ) , 它有以下特性: 三个输入数之和等于二个输出数之和, 即3个相加数每通过一次保留进位加法器, 其个数就减少1个。
Wallace 最早提出的方案就利用了这一特点：第一步将每列的部分积按三位进行分组,
每组通过使用全加器构成的CSA 部件，将加数的数目减少;第二步对第一步产生的结果仍按三位分组的方式将同权的伪和与局部进位信号通过CSA 部件进行处理,再次减少加数的数目,这种处理一直进行到最后只有两个输出为止。对最后的伪和与局部进位通过进位传递加法器相加得出真正的结果。在这种处理方式中,每列中求伪和的操作是并行完成的。由于采用全加器作为加法部件，每次能将3个权为20的输入信号经处理后得到一个权为21的局部进位信号和一个权为20的伪和信号,这样操作数的数目减少1/ 3，将产生的中间伪和也按照这种方式处理，经过时间为O(log 3/ 2 N ) 的处理后可以得到最后的伪和与局部进位信号。
图16 华莱士树加法树示意图
我们来考虑一个44 位华莱士树乘法器的结构。设被乘数为0123x x x x ，乘数为
0123y y y y 。
65432106543210Partial products
First stage Bit position
6
54321
06543210
Second stage Final adder FA
HA (a)
(b)(c)(d)
图17 44?位华莱士树乘法器实现图
图18 44?位华莱士树乘法器架构图
Full Adder (CSA)A B
Cout S Cin Cin A
B
S A
B
A Cin
B Cin Cout
图19 保留进位加法器(CSA)
Half Adder
A B
Cout S
图20 半加器 布斯算法（Booth ’s Algorithm ）的做法是对乘数编码以计算出乘法运算的结果，主要
的想法在于乘数中连续的1，这些1会造成被乘数的连加。
但是，乘数01110又可表示为10000-00010，这样可将部分积减少为2个。当我们遇到
乘数中连续的’1’时（从右往左看），第一个’1’减去被乘数，最后一个’1’后面的’0’则加上被乘数。
01111110001001000
000001001010010000000000010010
00000
111001001-+
+
+
-
+?部分积部分积乘数被乘数
布斯编码的核心在于对连续的’1’字串进行头、中、尾三段的分段处理（从右往左看）。
当然，’0’字串由于本身就无须进行运算，所以不必理会。
4、华莱士乘法器
先介绍阵列乘法器，我们用笔计算乘法时,第一个操作数为被乘数(multiplicand)，第二个操作数为乘数(multiplier)。而乘数中的每一个位和被乘数做相乘的运算后的结果称之为部分乘积(partial product)，而将所有的部分乘积相加之后，其运算结果称为乘积(product)。如:1000×1001为例,
multiplicand 1000
× multiplier × 1001
partial product 1000
partial product 0000
partial product 0000
partial product 1000
product 1001000
通过以上的示例我们可以发现如下四点：
第一：当乘数的位数字为1 时,我们可以将被乘数的值直接放置适当的位置。而适当的
位置是依乘数的第几个位和被乘数做运算之后所放的位置。
第二：当乘数的位数字为0 时，我们可以将0 放置适当的位置, 以作为部分乘积。
第三：我们利用笔和纸计算的乘法，在硬件中使用与门来实现。例如：1000 ×1中，
乘数1 和每一个被乘数的位都个别做与运算,其结果为1000 正是我们所要的结果。由此可知我们只需用与门就可以完成我们所要的乘法。
第四：当部分乘积都运算完成后，使用加法来完成最终的乘法结果运算。
根据以上四点的说明，我们可以运用最简单、最直观的方式来描述固定点乘法器的电路
描述。我们使用与门来做部分积运算，使用全加器(Full adder)来运算部分积的最终结果。因为作加法时，会有进位问题，且上一位所产生的进位也非常重要，所以只有全加器能满足我们的加法要求。图13所示为有符号位的6×6固定点乘法器的架构图。
HA FA HA FA FA HA FA FA FA HA FA FA FA FA HA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA FA 图13 6×6固定点乘法器架构图
摘要 伴随着集成电路技术的发展, 电子设计自动化(EDA)技术逐渐成为数字电路设计的重要手段。基于FPGA的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，使得EDA技术在电子信息，通信，自动控制，计算机等领域的重要性日益突出。 本设计给出了一种基于FPGA的多功能数字钟方法，采用EDA作为开发工具，VHDL语言和图形输入为硬件描述语言，QuartusII作为运行程序的平台，编写的程序经过调试运行，波形仿真验证，下载到EDA实验箱的FPGA芯片，实现了设计目标。 系统主芯片采用CycloneII系列EP2C35F672C8。采用自顶向下的设计思想，将系统分为五个模块:分频模块、计时模块、报时模块、显示模块、顶层模块。用VHDL语言实现各个功能模块, 图形输入法生成顶层模块. 最后用QuartusII 软件进行功能仿真, 验证数字钟设计的正确性。 测试结果表明本设计实现了一个多功能的数字钟功能，具有时、分、秒计时显示功能，以24小时循环计时；具有校正小时和分钟的功能；以及清零，整点报时功能。 关键词：EDA技术；FPGA；数字钟；VHDL语言；自顶向下
Abstract Accompanied by the development of integrated circuit technology, electro nic design automation (EDA) technology is becoming an important means of digital circuit design. FPGA EDA technology development and expansion of a pplication fields and in-depth, the importance of EDA technology in the field of electronic information, communication, automatic control, computer, etc. hav e become increasingly prominent. This design gives a FPGA-based multifunctional digital clock using ED A as a development tool, VHDL language and graphical input hardware descri ption language, the QuartusII as a platform for running the program, written procedures debugging and running, the waveform simulation downloaded to th e FPGA chip to achieve the design goals. The main system chip CycloneII series EP2C35F672C8. Adopted a topdw n design ideas, the system is divided into five modules: frequency module, ti ming module, timer module, display module, the top-level module. With VHD L various functional modules, graphical input method to generate the top-level module. Last QuartusII under simulation, to verify the correctness of the digi tal clock design. The test results show that the design of a multifunctional digital clock, with seconds time display, 24-hour cycle timing; has a school, cleared, and th e whole point timekeeping functions. Key words: EDA technology; FPGA; VHDL language; top-down; digital cloc k
课程设计任务书 题目基于FPGA的6*6串行乘法器设计起讫日期 学生姓名专业班级通信工程 所在院系电气信息学院 指导教师职称 所在单位通信工程教研室
任务及要求： 1.设计内容和要求（包括设计内容、主要指标与技术参数） 设计内容：设计一个6*6串行乘法器 设计要求： (1)设计语言为Verilog，仿真软件为ISE自带仿真软件iSIM； (2)该设计不要求下载到硬件开发板上，只需给出仿真波形图，但要求能够从波形图 中看出实现了乘法运算 2.原始依据 本设计要求学生应用Xilinx FPGA设计一个6*6串行乘法器，通过设计能够让学生进一步掌握FPGA的基本开发流程，同时提高时序设计能力，学生已学习过EDA课程，掌握硬件描述语言基本知识，通过本次设计可进一步提高学生的动手能力，加强理论联系实际的能力。 3.进度计划 3.4-3.8 查阅相关资料，掌握FPGA基本知识。 3.11-3.15 应用Verilog语言进行程序开发，设计调试。 3.18-3.22 调试验收，撰写专业课程实践训练报告。 4.参考文献 [1] 夏宇闻. Verilog数字系统设计教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008. [2] Snair Palnitkar(美). VerilogHDL数字设计与综合. 夏宇闻等译.（第二版）[M]. 北京:电子工业出版社，2009. [3] Xilinx. UG230 [Z/OL]. https://www.doczj.com/doc/525711213.html, 指导教师签字： 教研室主任签字：
目录 摘要： (4) 关键词 (4) 一：FPGA (4) 1.1名称 (4) 1.2背景 (4) 1.3工作原理 (4) 1.4芯片结构 (5) 二：Verilog HDL (5) 2.1verilog hdl名称 (5) 2.2verilog hdl用途 (5) 2.3 Ve r i l o g硬件描述语言的主要能力 (6) 三：Spartan3E (7) 四：乘法器 (8) 4.1什么是乘法器 (8) 4.2实现乘法器的方法 (8) 4.3 6*6串行乘法器的设计思路 (9) 4.4 6*6乘法器程序代码 (9) 4.5 6*6乘法器设计仿真图 (11) 4.6结果分析 (12) 四：总结 (12) 参考文献 (12)
基于FPGA的数字时钟的设计课题: 基于FPGA的数字时钟的设计 学院: 电气信息工程学院 专业: 测量控制与仪器 班级 : 08测控(2)班 姓名 : 潘志东 学号 : 08314239 合作者姓名: 颜志林 2010 年12 月12 日
综述 近年来随着数字技术的迅速发展,各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉与掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法,除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题与故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外,还必须培养大学生工程设计与组织实验能力。 本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用与掌握,使学生在实验原理的指导下,初步具备基本电路的分析与设计能力,并掌握其应用方法;自行拟定实验步骤,检查与排除故障、分析与处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的就是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力,包括选择设计方案,进行电路设计、安装、调试等环节,运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟就是一种计时装置,它具有时、分、秒计时功能与显示时间功能;具有整点报时功能。 本次设计我查阅了大量的文献资料,学到了很多关于数字电路方面的知识,并且更加巩固与掌握了课堂上所学的课本知识,使自己对数字电子技术有了更进一步的认识与了解。
1、课题要求 1、1课程设计的性质与任务 本课程就是电子与信息类专业的专业的专业基础必修课——“数字电路”的配套实验课程。目的在于培养学生的理论联系实际,分析与解决问题的能力。通过本课程设计,使学生在理论设计、计算机仿真、指标调测、故障排除等方面得到进一步的训练,加强学生的实践能力。学生通过设计、仿真、调试、撰写设计报告等过程,培养学生的动手能力与严谨的工作作风。 1、2课程设计的基本技术要求 1)根据课题要求,复习巩固数字电路有关专业基础知识; 2)掌握数字电路的设计方法,特别就是熟悉模块化的设计思想; 3) 掌握QUARTUS-2软件的使用方法; 4) 熟练掌握EDA工具的使用,特别就是原理图输入,波形仿真,能对仿真波形进行分析; 5) 具备EDA技术基础,能够熟练使用VHDL语言进行编程,掌握层次化设计方法; 6) 掌握多功能数字钟的工作原理,学会不同进制计数器及时钟控制电路的设计方法; 7) 能根据设计要求对设计电路进行仿真与测试; 8) 掌握将所设计软件下载到FPGA芯片的下载步骤等等。 9) 将硬件与软件连接起来,调试电路的功能。 1、3课程设计的功能要求 基本功能:能进行正常的时、分、秒计时功能,分别由6个数码管显示24小时,60分钟,60秒钟的计数器显示。 附加功能:1)能利用硬件部分按键实现“校时”“校分”“清零”功能; 2)能利用蜂鸣器做整点报时:当计时到达59’59’’时开始报时, 鸣叫时间1秒钟; 3)定时闹铃:本设计中设置的就是在七点时进行闹钟功能,鸣叫 过程中,能够进行中断闹铃工作。 本人工作:负责软件的编程与波形的仿真分析。 2、方案设计与分析
各种乘法器比较 韦其敏08321050 引言：乘法器频繁地使用在数字信号处理和数字通信的各种算法中，并往往影响着整个系统的运行速度。如何实现快速高效的乘法器关系着整个系统的运算速度和资源效率。本位用如下算法实现乘法运算：并行运算、移位相加、查找表、加法树。并行运算是纯组合逻辑实现乘法器，完全由逻辑门实现；移位相加乘法器将乘法变为加法，通过逐步移位相加实现；查找表乘法器将乘积结果存储于存储器中，将操作数作为地址访问存储器，得到的输出数据就是乘法运算结果；加法树乘法器结合移位相加乘法器和查找表乘法器的优点，增加了芯片耗用，提高运算速度。 注：笔者使用综合软件为Quartus II 9.1，选用器件为EP2C70，选用ModelSim SE 6.1b进行仿真，对于其他的软硬件环境，需视具体情况做对应修改。 汇总的比较： 详细实现过程： 1.并行乘法器 源代码： module Mult1(outcome,a,b); parameter MSB=8; input [MSB:1] a,b; output [2*MSB:1] outcome; assign outcome=a*b; endmodule
资源耗用情况： ModelSim测试激励文件源代码：`timescale 10ns/1ns module Mult1_test(); reg [8:1] a,b; wire [16:1] outcome; Mult1 u1(outcome,a,b); parameter delay=2; initial begin a=1; b=0; end initial forever begin #delay a=a+1; b=b+1; if(outcome>=16'h0FFF) $stop;
基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 专业班级姓名学号 一、实验目的 1.掌握可编程逻辑器件的应用开发技术——设计输入、编译、仿真和器件编程； 2.熟悉一种EDA软件使用； 3.掌握Verilog设计方法； 4.掌握分模块分层次的设计方法； 5.用Verilog完成一个多功能数字钟设计; 6.学会FPGA的仿真。 二、实验要求 ?功能要求： 利用实验板设计实现一个能显示时分秒的多功能电子钟，基本功能： 1)准确计时，以数字形式显示时、分、秒，可通过按键选择当前显示时间范围模式； 2)计时时间范围00:00:00－23:59:59 3)可实现校正时间功能； 4)可通过实现时钟复位功能：00:00:00 扩展功能： 5)定时报：时间自定(不要求改变)，闹1分钟(1kHz)---利用板上LED或外接电路实现。 6)仿广播电台正点报时：XX:59:[51,53,55,57(500Hz);59(1kHz)] ---用板上LED或外接 7)报整点时数：XX:00:[00.5-XX.5](1kHz)，自动、手动---用板上LED或外接 8)手动输入校时； 9)手动输入定时闹钟； 10)万年历； 11)其他扩展功能； ?设计步骤与要求： 1)计算并说明采用Basys2实验板时钟50MHz实现系统功能的基本原理。 2)在Xilinx ISE13.1 软件中，利用层次化方法，设计实现模一百计数及显示的电路系 统，设计模块间的连接调用关系，编写并输入所设计的源程序文件。 3)对源程序进行编译及仿真分析（注意合理设置，以便能够在验证逻辑的基础上尽快 得出仿真结果）。 4)输入管脚约束文件，对设计项目进行编译与逻辑综合，生成下载所需.bit文件。 5)在Basys2实验板上下载所生成的.bit文件，观察验证所设计的电路功能。
收稿日期：2011-09-20；修回日期：2011-11-04 基金项目：国家科技重大专项基金资助项目（2009ZX01030-001-002）． 作者简介：曾宪恺（1987-），男，湖北孝感人，硕士，主要研究方向为超大规模集成电路设计自动化（zengxk@vlsi．zju．edu．cn ）；郑丹丹（1981-），女，博士，主要研究方向为超深亚微米集成电路SOC 设计；严晓浪（1947-），男，教授，主要研究方向为超大规模集成电路设计、VLSI 设计自动化；吕冬明（1981-），男，博士，主要研究方向为集成电路CAD 研究；葛海通（1972-），男，博士，主要研究方向为嵌入式系统设计． 基于标准单元库扩展的快速乘法器设计 * 曾宪恺，郑丹丹，严晓浪，吕冬明，葛海通 （浙江大学超大规模集成电路设计研究所，杭州310027） 摘 要：设计并实现17?17bit 带符号数字乘法器。为了提高乘法器的性能，采用改进的Booth 编码算法、 Wal-lace 树型结构以及基于标准单元库扩展的设计方法。该方法使用逻辑功效模型分析乘法器的关键路径，通过构造驱动能力更为完备的单元以实现关键路径中每一级门功效相等，从而得到最短路径延时。将TSMC 90nm 标准单元库扩展得到扩展单元库， 使用两个单元库版图分别实现数字乘法器，基于扩展单元库实现的乘法器速度提升10．87%。实验结果表明，基于标准单元库扩展的半定制设计方法可以有效提升电路的性能，这种方法尤其适用于电路负载过大的情况。 关键词：乘法器；标准单元库扩展；改进的Booth 编码算法；Wallace 树；逻辑功效中图分类号：TN47 文献标志码：A 文章编号：1001-3695（2012）05-1778-03 doi ：10．3969/j．issn．1001-3695．2012．05．047 Design of high-speed multiplier based on standard cell library extension ZENG Xian-kai ，ZHENG Dan-dan ，YAN Xiao-lang ，LV Dong-ming ，GE Hai-tong （Institute of VLSI Design ，Zhejiang University ，Hangzhou 310027，China ） Abstract ：This paper proposed a 17?17bit signed digital multiplier．To improve the performance ，the multiplier used modi-fied Booth ’s recoding algorithm ，a Wallace tree structure and design method based on standard cell library extension．It ana-lyzed critical path using logical effort model ，and by constructing cells with different driving capabilities ， it implemented equal logical effort in each stage to achieve minimum path delay．Based on TSMC 90nm standard cell library ， generated an extended cell library ，and implemented the layouts of multiplier respectively．Compared to standard cell library ，the multiplier imple-mented with extended cell library achieved a performance improvement of 10．87%．Experimental results show that the semi-custom design methodology based on standard cell library extension can improve circuit performance effectively ，which is espe-cially appropriate for designs with large loads． Key words ：multiplier ；standard cell library extension ；modified Booth ’s recoding algorithm ；Wallace tree ；logical effort 0引言 乘法器是嵌入式CPU 的重要部件，其运算速度决定了逻 辑运算单元的工作频率，因此高性能乘法器的设计仍然被关注 ［1，2］ 。同时，市场的需求加速了产品的上市进程，从而要求 设计者尽量缩短设计时间。为了兼顾乘法器的性能和设计时间， 通常使用基于标准单元库的半定制设计方法。但该方法受限于库中标准单元有限的驱动能力，无法实现最短路径延时。为此，本文提出基于标准单元库扩展的乘法器设计方法，消除了传统方法因关键路径优化不足对乘法器性能的影响。基于TSMC 90nm 工艺标准单元库扩展，设计并实现了17?17bit 乘法器模块。该乘法器支持带符号二进制乘法运算， 最差情况下（工作电压0．9V ，温度125℃）工作频率为346MHz 。设计过程中，使用EDA 工具进行了速度优先的逻辑综合以及布局布线；在关键路径的处理中，采用了基于逻辑功效的优化方法。 1乘法器 二进制乘法器实现了二进制数的乘法运算，它将两个二进 制数X 和Y 作为输入，将乘法运算的积Z 作为输出。设被乘数为m 位，记为X m －1X m －2…X 0，乘数为n 位，记为Y n －1Y n －2…Y 0，则积为m +n 位，记为Z m +n －1Z m +n －2…Z 0。将m 位被乘数X 与n 位乘数Y 的每一位进行与运算，可以得到n 项位数为m 的部分积， 用加法器阵列将n 项部分积相加，得到积Z 。乘法器的具体实现分为部分积生成、部分积压缩、最终加法三个步骤。通常，使用与门来产生部分积，用加法器阵列对部分积压缩来构成阵列乘法器。这种架构算法简单，易于实现，并且能够实现规则的版图结构，但是由于部分积个数较多，压缩时间较长，无法得到快速的乘法器。使用改进的Booth 编码算法［3，4］ 有效地减少了部分积的个数，使用Wallace 树型结 构 ［5］ 缩短部分积压缩的时间，其算法较复杂，并且版图结构不 规则， 但可以有效地提升乘法器的性能。第29卷第5期2012年5月计算机应用研究 Application Research of Computers Vol.29No.5May 2012
南昌大学实验报告 学生姓名：邓儒超学号：6100210045 专业班级：卓越通信101 实验类型：□验证□综合□√设计□创新实验日期：2012.10.28 实验成绩： 实验三数字钟设计 一、实验目的 （1）掌握数字钟的设计 二、实验内容与要求 （1）设计一个数字钟，要求具有调时功能和24/12进制转换功能 （2）进行波形仿真，并分析仿真波形图； （3）下载测试是否正确； 三、设计思路/原理图 本次数字钟的设计采用了自顶向下分模块的设计。底层是实现各功能的模块，各模块由vhdl语言编程实现：顶层采用原理图形式调用。其中底层模块包括秒、分、时三个计数器模块、按键去抖动模块、按键控制模块、时钟分频模块、数码管显示模块，其中，时计数器模块又包括24进制计数模块、12进制计数模块、24/12进制转换模块。设计框图如下： 由图可以清晰的看到数字钟系统设计中各功能模块间连接关系。系统时钟1KHZ经过分频后产生1秒的时钟信号，1秒的时钟信号作为秒计数模块的输入信号，秒计数模块产生的进位信号作为分计数模块的输入信号，分计数模块的进位信号作为时计数模块的输入信号。秒计数模块、分计数模块、时计数模块的计数输出分别送到显示模块。由于设计中要使用按键进行调节时间，而按键的动作过程中存在产生得脉冲的不稳定问题，所以就牵扯到按键去抖动的问题，对此系统中设置了按键去抖动模块，按键去抖动模块产生稳定的脉冲信号送入按键控制模块，按键控制模块根据按键的动作对秒、分、时进行调节。 原理图如下：
四、实验程序（程序来源：参考实验室里的和百度文库的稍加改动，还有自己写的） 1、分频模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY fenpin IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC; CLK1:OUT STD_LOGIC); END fenpin; ARCHITECTURE behav OF fenpin IS SIGNAL X,CNT:STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0); BEGIN P1:PROCESS(CLK) BEGIN X<="001111101000";--1000分频 IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN CNT<=CNT+1; IF CNT=X-1 THEN CLK1<='1';CNT<="000000000000"; ELSE CLK1<='0'; END IF; END IF; END PROCESS; END behav; 2、60进制计数器（秒、分计数器）模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY count60 IS PORT(EN,RST,CLK1: IN STD_LOGIC; Q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); COUT: OUT STD_LOGIC); END count60;
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：定点原码二位乘法器的设计 目录 第1章总体设计方案 (1) 1.1设计原理 (1) 1.2设计思路 (3) 1.3设计环境 (5) 第2章功能模块的设计与实现 (6) 2.1总体的设计与实现 (6) 2.1.1总体方案的逻辑图 (6) 2.2基本功能模块的组成及工作原理 (8) 2.2.1被乘数模块的组成及工作原理 (8) 2.2.2乘数模块的组成及工作原理 (8) 2.2.3选择模块的组成及工作原理 (9) 2.2.4 移位模块的工作原理 (9)
第3章程序仿真与测试 (10) 3.1程序仿真 (10) 3.2仿真测试及结果分析 (10) 参考文献 (12) 附录（汇编程序） (13)
第1章总体设计方案 1.1 设计原理 定点原码两位乘与定点原码一位乘一样，符号位的运算和数值部分是分开进行的，但为了提高运算速度，所以采用了原码两位乘，因为原码两位乘是用乘数的末两位的状态来决定新的部分积如何形成，可提高运算速度。乘数和被乘数都用原码表示。 两位乘数有四种可能的组合，每种组合对应的操作如表1.1所示 表1.1 乘数组合与部分积关系对照表 乘数y n-1y n 新的部分积 00 新部分积等于原部分积右移两位 01 新部分积等于原部分积加被乘数后右移两位 10 新部分积等于原部分积加2倍被乘数后右移两位 11 新部分积等于原部分积加3倍被乘数后右移两位 与一位乘法比较，多出了+2X和3X两种情况。把X左移1位即得到2X，在机器内通常采用左斜送一位来实现。可是+3X一般不能一次完成，如分成两次进行，又降低了计算速度。解决问题的办法是：以（4X-X）来代替3X运算，在本次运算中只执行-X，而+4X则归并到下一步执行，此时部分积以右移了两位，上一步欠下的+4X已变成+X，在实际线路中要用一个触发器C来记录是否欠下+4X，若是，则C变为1。因此实际操作用Yi-1，Yi，C三位来控制，运算规则如下所示： 表1.2 判断值对应的操作以及C值的变化情况 组合值Yi-1 Yi C 操作C值变化 0 0 0 0 部分积＋0；右移两位C=0 1 0 0 1 部分积＋x；右移两位C=0 1 0 1 0 部分积＋x；右移两位C=0 2 0 1 1 部分积＋2x；右移两位C=0 2 1 0 0 部分积＋2x；右移两位C=0
f p g a数字钟课程设计报告 Prepared on 24 November 2020
课程设计报告 设计题目：基于FPGA的数字钟设计 班级：电子信息工程1301 姓名：王一丁 指导教师：李世平 设计时间：2016年1月 摘要 EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，是以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，通过相关的软件，自动完成软件方式设计得电子系统到硬件系统，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。本次课程设计利用Quartus II 为设计软件，VHDL为硬件描述语言，结合所学知识设计一个多功能时钟，具有显示年、月、日、时、分、秒显示，计时，整点报时，设定时间等功能。利用硬件描述语言VHDL 对设计系统的各个子模块进行逻辑描述，采用模块化的思想完成顶层模块的设计，通过软件编译、逻辑化简、逻辑综合优化、逻辑仿真、最终完成本次课程设计的任务。 关键词：EDA VHDL语言数字钟 目录 摘要 1 课程设计目的 2 课程设计内容及要求
设计任务 设计要求 3 VHDL程序设计 方案论证 系统结构框图 设计思路与方法 状态控制模块 时分秒模块 年月日模块 显示模块 扬声器与闹钟模块 RTL整体电路 4 系统仿真与分析 5 课程设计总结，包括.收获、体会和建议 6 参考文献 1 课程设计目的 (1)通过设计数字钟熟练掌握EDA软件(QUARTUS II)的使用方法，熟练进行设计、编译，为以后实际工程问题打下设计基础。 (2)熟悉VHDL 硬件描述语言，提升分析、寻找和排除电子设计中常见故障的能力。 (3)通过课程设计，锻炼书写有理论根据的、实事求是的、文理通顺的课程设计报告。
基于FPGA的多功能数字钟的设计 摘要数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,是人们日常生活中不可少的必需品。本文介绍了应用FPGA芯片设计多功能数字钟的一种方案，并讨讨论了有关使用FPGA芯片和VHDL语言实现数字钟设计的技术问题。关键词数字钟、分频器、译码器、计数器、校时电路、报时电路。 Design of Abstract Keywords
目录 0.引言 (4) 1.设计要求说明 (4) 1.1设计要求 (4) 1.2完成情况说明 (4) 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现 (4) 2.1计时电路 (5) 2.2异步清零电路 (5) 2.3校时、校分功能电路 (5) 2.4报时电路 (6) 2.5分频电路 (7) 2.6闹钟及音乐闹铃电路 (9) 2.7秒表计时电路 (15) 2.8译码显示电路 (15) 2.9逻辑总图 (16) 3.设计感想 (17) 参考文献 (17)
0．引言 数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度远远超过老式钟表。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 1.设计要求说明 1.1设计要求 1）设计一个具有校时、校分、清零，保持和整点报时功能的数字钟。 2）多数字钟采用层次化的方法进行设计，要求设计层次清晰、合理；构成整个设计的功能模块既可采用原理图方法实现，也可采用文本输入法实 现。 3）数字钟的具体设计要求具有如下功能： ①数字钟的最大计时显示23小时59分59秒； ②在数字钟正常工作时可以进行快速校时和校分，即拨动开关K1可对小 时进行校正，拨动开关K2可对分钟进行校正； ③在数字钟正常工作情况下，可以对其进行不断电复位，即拨动开关K3 可以使时、分、秒回零； ④整点报时是要求数字钟在每小时整点来到前进行鸣叫，鸣叫频率是在 59分53秒、55秒、57秒时为500Hz，59分59秒时为1KHz； ⑤哟啊去所有开关具有去抖动功能。 4）对设计电路进行功能仿真。 5）将仿真通过的逻辑电路下载到EDA实验系统，对其进行验证。 1.2完成情况说明： 对于实验要求的基本功能我们设计的电路都能准确实现。另外，我们还附加了显示星期、秒表、闹钟时间来时播放音乐等功能。 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现 通过分析多功能数字钟的设计要求和所要实现的功能，应用层次化方法设计出数字钟应由计时模块、分频脉冲模块、译码显示模块、校时校分和清零模块、报时模块等几个模块组成，其原理框图如下图1所示：
流水线乘法器 一般的快速乘法器通常采用逐位并行的迭代阵列结构，将每个操作数的N位都并行地提交给乘法器。但是一般对于FPGA来讲，进位的速度快于加法的速度，这种阵列结构并不是最优的。所以可以采用多级流水线的形式，将相邻的两个部分乘积结果再加到最终的输出乘积上，即排成一个二叉树形式的结构，这样对于N位乘法器需要log2（N）级来实现。一个8位乘法器，如图所示。 module mux_4(mul_a,mul_b,mul_out,clk,rst_n); parameter MUL_WIDTH = 4; parameter MUL_RESULT = 8; input [MUL_WIDTH-1:0] mul_a; input [MUL_WIDTH-1:0] mul_b; input clk; input rst_n; output [MUL_RESULT-1:0] mul_out; reg [MUL_RESULT-1:0] mul_out; reg [MUL_RESULT-1:0] stored0; reg [MUL_RESULT-1:0] stored1; reg [MUL_RESULT-1:0] stored2; reg [MUL_RESULT-1:0] stored3; reg [MUL_RESULT-1:0] add01; reg [MUL_RESULT-1:0] add23; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin mul_out <= 8'b0000_0000;
stored0 <= 8'b0000_0000; stored1 <= 8'b0000_0000; stored2 <= 8'b0000_0000; stored3 <= 8'b0000_0000; add01 <= 8'b0000_0000; add23 <= 8'b0000_0000;; end else begin stored3 <= mul_b[3] ? {1'b0,mul_a,3'b0} : 8'b0; stored2 <= mul_b[2] ? {2'b0,mul_a,2'b0} : 8'b0; stored1 <= mul_b[1] ? {3'b0,mul_a,1'b0} : 8'b0; stored0 <= mul_b[0] ? {4'b0,mul_a} : 8'b0; add01 <= stored1 + stored0; add23 <= stored3 + stored2; mul_out <= add01 + add23; end end endmodule
xxxx大学 电子设计自动化技术与应用 设计报告 设计题目：基于FPGA的数字时钟 学院：通信学院 姓名： 学号：
目录 一、设计任务 (3) 二、总体设计方案 (3) 1、设计思想 (3) 2、总体设计框图 (3) 三、单元电路设计 (4) 1、秒计数器模块设计与实现 (4) 2、分计数器模块设计与实现 (5) 3、时计数器模块设计与实现 (6) 4、2选1选择器模块设计与实现 (7) 5、译码器模块的设计与实现 (8) 6、3-8线译码器模块设计与实现 (9) 7、分频器的设计与实现 (9) 8、顶层原理设计图 (10) 四、硬件测试与结果分析 (11) 1、硬件测试： (11) 2、测试过程及结果分析 (12) 五、收获与体会 (12)
一、设计任务 1、能进行正常的时、分、秒计时功能，由LED数码管显示时间，最大计时 为23：59：59。 2、小时显示采用24进制，分显示和秒显示都采用60进制。 3、具有调时和调分功能。 二、总体设计方案 1、设计思想 本设计是基于Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C16Q240C8芯片设计的，采用层次化设计方式，先设计数字时钟的底层器件：秒计数器、分计数器、时计数器、2选1选择器、译码器、分频器。顶层采用原理图设计方式，将所设计的底层器件连接起来构成一个具有计时和调时功能的数字时钟。 2、总体设计框图 完整的数字时钟设计硬件框图如图所示。
三、单元电路设计 1、秒计数器模块设计与实现 1.1秒计数器流程图如下： 1.2秒计数器生成模块如图1所示: 图1 其中，clk 是时钟信号，daout 是60计数输出，enmin 是向分进位的高电平。 1.3 波形仿真图
基于FPGA开发板的数字钟设计初探 摘要：本文介绍了基于FPGA开发板的数字钟设计的基本构想，所提供的功能，基本的模块和控制逻 辑。 关键词: 模块，数字钟 1引言 VHDL结合FPGA可以方便地，可重复利用地实现各种设计，本文主要从原理上规划出设计一个数字钟需要的模块和功能逻辑，以便后期使用VHDL和FPGA实现。 2 设计原理 本文打算实现的数字钟向用户提供的功能包括：秒、分、时、日、月显示，闹钟设定，时间校准。鉴于所提供的功能，电路应当包括以下五大模块：控制模块，分频模块，闹钟模块，计时模块和显示模块。控制模块包括了输入部分，用户通过外部按钮选择数字钟工作模式和输入基准时间，闹钟时刻；分频模块主要是给需要的模块提供特定频率的时钟信号；闹钟模块的主要作用是接收并存储用户输入的闹钟时刻，比较当前时刻是否是用户所设定的闹钟时刻，进而决定是否启动闹钟提醒装置（蜂鸣器）；计时模块包括了秒、分、时、日，月计数模块，并提供给显示模块显示输出；显示模块包括数码管及驱动部分，蜂鸣器。 3 电路设计 控制模块主要是一个译码电路，控制系统所处的模式：正常计时显示，时间校准，设定闹钟。 计时模块通过六十进制、二十四进制、三十或三十一进制和十二进制的计数器实现计时。计时模式下利用分频器提供的基准时钟信号实现计时；时间校准模式下，用户输入按钮的脉冲作时钟信号。 分频模块是一个分频器，将系统提供的时钟分频到需要的频率。 闹钟模块在计时模式下利用比较电路检测当前时间，如果是闹钟时刻，则启动蜂鸣器；闹钟模式下，用户通过输入按钮脉冲设定闹钟，闹钟模块记录并存储。 显示模块在计时模式和时间校准模式下由计时模块控制显示，设定闹钟时由闹钟模块控制显示，方便用户设定闹钟，蜂鸣器由闹钟模块控制。
基于FPGA 的数字时钟的设计 课 题： 基于FPGA 的数字时钟的设计 学 院： 电气信息工程学院 专 业 ： 测量控制与仪器 班 级 ： 08测控（2）班 姓 名 ： 潘 志 东 学 号 ： 08314239 合作者姓名： 颜志林 2010 年 12 月 12 日
综述 近年来随着数字技术的迅速发展，各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉和掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法，除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题和故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外，还必须培养大学生工程设计和组织实验能力。 本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用和掌握，使学生在实验原理的指导下，初步具备基本电路的分析和设计能力，并掌握其应用方法；自行拟定实验步骤，检查和排除故障、分析和处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力，包括选择设计方案，进行电路设计、安装、调试等环节，运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟是一种计时装置，它具有时、分、秒计时功能和显示时间功能；具有整点报时功能。 本次设计我查阅了大量的文献资料，学到了很多关于数字电路方面的知识，并且更加巩固和掌握了课堂上所学的课本知识，使自己对数字电子技术有了更进一步的认识和了解。
1、课题要求 1.1课程设计的性质与任务 本课程是电子与信息类专业的专业的专业基础必修课——“数字电路”的配套实验课程。目的在于培养学生的理论联系实际，分析和解决问题的能力。通过本课程设计，使学生在理论设计、计算机仿真、指标调测、故障排除等方面得到进一步的训练，加强学生的实践能力。学生通过设计、仿真、调试、撰写设计报告等过程，培养学生的动手能力和严谨的工作作风。 1.2课程设计的基本技术要求 1）根据课题要求，复习巩固数字电路有关专业基础知识； 2）掌握数字电路的设计方法，特别是熟悉模块化的设计思想； 3) 掌握QUARTUS-2软件的使用方法; 4) 熟练掌握EDA工具的使用，特别是原理图输入，波形仿真，能对仿真波形进行分析； 5) 具备EDA技术基础，能够熟练使用VHDL语言进行编程，掌握层次化设计方法; 6) 掌握多功能数字钟的工作原理，学会不同进制计数器及时钟控制电路的设计方法; 7) 能根据设计要求对设计电路进行仿真和测试; 8) 掌握将所设计软件下载到FPGA芯片的下载步骤等等。 9) 将硬件与软件连接起来，调试电路的功能。 1.3课程设计的功能要求 基本功能：能进行正常的时、分、秒计时功能，分别由6个数码管显示24小时，60分钟，60秒钟的计数器显示。 附加功能：1）能利用硬件部分按键实现“校时”“校分”“清零”功能； 2）能利用蜂鸣器做整点报时：当计时到达59’59’’时开始报时，鸣叫时间1秒钟； 3）定时闹铃：本设计中设置的是在七点时进行闹钟功能，鸣叫过程中，能够进行中断闹铃工作。 本人工作：负责软件的编程与波形的仿真分析。 2、方案设计与分析
多功能数字钟 开课学期：2014—2015 学年第二学期课程名称：FPGA课程设计 学院：信息科学与工程学院 专业：集成电路设计与集成系统班级： 学号： 姓名： 任课教师： 2015 年7 月21 日
说明 一、论文书写要求与说明 1.严格按照模板进行书写。自己可以自行修改标题的题目 2.关于字体： a)题目：三号黑体加粗。 b)正文：小四号宋体，行距为1.25倍。 3.严禁抄袭和雷同，一经发现，成绩即判定为不及格！！！ 二、设计提交说明 1.设计需要提交“电子稿”和“打印稿”； 2.“打印稿”包括封面、说明（即本页内容）、设计内容三部分；订书机左边装订。 3.“电子稿”上交：文件名为“FPGA课程设计报告-班级-学号-姓名.doc”,所有报告发送给班长，由班长统一打包后统一发送到付小倩老师。 4.“打印稿”由班长收齐后交到：12教305办公室； 5.上交截止日期：2015年7月31日17:00之前。
第一章绪论 (3) 关键词：FPGA，数字钟 (3) 第二章FPGA的相关介绍 (4) 2.1 FPGA概述 (4) 2.2 FPGA特点 (4) 2.3 FPGA设计注意 (5) 第三章Quartus II与Verilog HDL相关介绍 (7) 3.1 Quartus II (7) 3.2 Verilog HDL (7) 第四章设计方案 (8) 4.1数字钟的工作原理 (8) 4.2 按键消抖 (8) 4.3时钟复位 (8) 4.4时钟校时 (8) 4.5数码管显示模块。 (8) 第五章方案实现与验证 (9) 5.1产生秒脉冲 (9) 5.2秒个位进位 (9) 5.3按键消抖 (9) 5.4复位按键设置 (10) 5.5 数码管显示。 (10) 5.6 RTL结构总图 (11) 第六章实验总结 (14) 第七章Verilog HDL源代码附录 (15)
基于FPGA的Verilog-HDL数字钟设计--
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基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 专业班级姓名学号 一、实验目的 1.掌握可编程逻辑器件的应用开发技术——设计输入、编译、仿真和器件编程； 2.熟悉一种EDA软件使用； 3.掌握Verilog设计方法； 4.掌握分模块分层次的设计方法； 5.用Verilog完成一个多功能数字钟设计; 6.学会FPGA的仿真。 二、实验要求 功能要求： 利用实验板设计实现一个能显示时分秒的多功能电子钟，基本功能： 1)准确计时，以数字形式显示时、分、秒，可通过按键选择当前显示时间范围模式； 2)计时时间范围00:00:00－23:59:59 3)可实现校正时间功能； 4)可通过实现时钟复位功能：00:00:00 扩展功能： 5)定时报：时间自定(不要求改变)，闹1分钟(1kHz)---利用板上LED或外接电路实现。 6)仿广播电台正点报时：XX:59:[51,53,55,57(500Hz);59(1kHz)] ---用板上LED或外接 7)报整点时数：XX:00:[00.5-XX.5](1kHz)，自动、手动---用板上LED或外接
8)手动输入校时； 9)手动输入定时闹钟； 10)万年历； 11)其他扩展功能； 设计步骤与要求： 1)计算并说明采用Basys2实验板时钟50MHz实现系统功能的基本原理。 2)在Xilinx ISE13.1 软件中，利用层次化方法，设计实现模一百计数及显示的电路系 统，设计模块间的连接调用关系，编写并输入所设计的源程序文件。 3)对源程序进行编译及仿真分析（注意合理设置，以便能够在验证逻辑的基础上尽快 得出仿真结果）。 4)输入管脚约束文件，对设计项目进行编译与逻辑综合，生成下载所需.bit文件。 5)在Basys2实验板上下载所生成的.bit文件，观察验证所设计的电路功能。 三、实验设计 功能说明：实现时钟，时间校时，闹铃定时，秒表计时等功能 1.时钟功能：完成分钟/小时的正确计数并显示；秒的显示用LED灯的闪烁做指示； 时钟利用4位数码管显示时分； 2.闹钟定时：实现定时提醒及定时报时，利用LED灯代替扬声器发出报时声音； 3.时钟校时：当认为时钟不准确时，可以分别对分钟和小时位的值进行调整； 4.秒表功能：利用4个数码管完成秒表显示：可以实现清零、暂停并记录时间等功能。 秒表利用4位数码管计数； 方案说明：本次设计由时钟模块和译码模块组成。时钟模块中50MHz的系统时钟clk分频产