8位加法器的设计

实验二8位加法器设计一、实验目的熟悉利用QuartusⅡ的图形编辑输入法设计简单组合电路，掌握层次化设计方法，并通过8位全加器的设计，进一步熟悉利用EDA软件进行数字系统设计的流程。二、实验仪器与器材计算机1台，GW48-PK2S实验箱1台，QuartusⅡ6.01套。三、实验内容1.基本命题利用图形输入法设计一个一位半加器和全加器，再利用级联方法构成8位加法器。2.扩展命题利用文本输入法设计4位并行进位加法器，再利用层次设计方法构成8位加法器。通过时序仿真，比较两种加法器的性能。四、设计思路加法器是数字系统中的基本逻辑器件。例如，为了节省逻辑资源，减法器和硬件乘法器都可由加法器来构成。多位加法器的设计十分耗费硬件资源，因此在实际的设计和相关系统的开发中，需要注意资源的利用率和进位速度两方面的问题。对此，首先应选择较适合组合逻辑设计的器件作为最终的目标器件，如CPLD；其次在加法器的逻辑结构设计上，在芯片资源的利用率和加法器的速度两方面权衡得失，探寻最佳选择，即选择最佳的并行进位最小的加法单元的宽度。显然这种选择与目标器件的时延特性有直接关系。多位加法器的构成有两种方式：即并行进位和串行进位方式。串行进位方式的加法器是将全加器级联构成的，它有电路简单，但进位速度较慢的特点。并行进位加法器设有产生并行进位的逻辑电路，加法器的进位仅与输入状态有关，与各级加法器的进位无关，即第i位加法器的进位直接由该位的各输入状态决定，其关系式为：iiiiiiCYXYXC1（i=0,1,2,3…）当i=3时，代入上述表达式可得：000112233001122331122332233334CYXYXYXYXYXYXYXYXYXYXYXYXYXYXC4位加法器的各位和数表达式如下：0000010000111112111122222322223333343333CYXYXCCYXSCYXYXCCYXSCYXYXCCYXSCYXYXCCYXS用门电路实现的4位并行加法器电路如图2-1所示。图2-14位并行加法器电路显然，随着位数的增加，并行加法进位电路将越来越复杂，相同位数的并行加法器与串行加法器的资源占用差距也将快速增大，一般情况下，并行进位加法器通常比串行级联加法器占用更多的芯片资源。由于4位二进制并行加法器和串行级联加法器占用几乎相同的芯片资源。因此，多位数加法器由4位二进制并行加法器级联构成是较好的折中选择，图2-2所示为该电路结构的8位加法器。图2-28位加法器硬件结构图提示：设计步骤一般包括如下十个方面，具体可参考实验一的设计思路，下面提示有助于解决实验过程中出现的问题。（1）首先应该建立好工作库文件夹并取名adder，以作设计工程项目的工作库。（2）设计电路原理图。打开QuartusII，选择菜单File→New。在New窗口中的DeviceDesignFiles中选择编译文件的语言类型“BlockDiagram/SchematicFile”如图2-3所示，单击OK后出现图形编辑界面如图2-4所示。然后在该图形编辑窗口中绘制设计电路图。图2-3选择图形编辑类型图2-3QuartusII的图形编辑界面（3）将当前设计取名为hadder并设定为工程。设定后可以看见QuartusII主窗左上方的工程项目路径指向。这个路径指向很重要！（4）编译和排错注意：如果设计文件含有错误，在编译时会出现出错信息指示。有时尽管只有1、2个小错，但却会出现大量的出错信息，确定错误所在的最好办法是找到最上一排错误信息指示，用鼠标左键双击，就能发现在出现文本编译窗中闪动的光标附近找到错误所在。纠正后再次编译，直至排除所有错误。还需要注意：闪动的光标指示错误所在只是相对的，错误一般在上方。VHDL文本编辑中还可能出现许多其它错误，如：1）错将设计文件存入了根目录，并将其设定成工程，由于没有了工作库，报错信息如下：Error：Can'topenVHDLWORK2）错将设计文件的后缀写成.tdf而非.vhd，报错信息如下：Error：Line1，Filee:\muxfile\mux21a.tdf:TDFsyntaxerror:...3）未将设计文件名存为其实体名，如错写为muxa.vhd，报错信息如下：Error：Line1，...VHDLDesignFilemuxa.vhdmustcontain...（5）时序仿真。具体步骤包括：建立波形文件、输入信号节点、设置波形参量、设定仿真时间宽度、加上输入信号、波形文件存盘、运行仿真器、观察分析波形。注意：仿真波形文件的建立，一定要十分注意仿真时间区域的设定，以及时钟信号的周期设置，否则即使设计正确也无法获得正确的仿真结果。设定比较合理的仿真时间区域和信号频率，即仿真时间区域不能太小，仿真频率不能太高，即信号周期不能小到与器件的延时相比拟。还可以进一步了解信号的延时情况。图2-4左侧的竖线是测试参考线，它与鼠标箭头间的时间差显示在窗口上方的Interval小窗中，使用该方法可以测量任意两点的时间差，由图可见输入与输出波形间有一个小的延时量。图2-4仿真波形图（6）建立电路模块默认符号在QuartusII环境下，执行“File”菜单下的“Create/Update”选项中的“CreateSymbolFilesforCurrentFile”命令，将通过编译的设计文件产生一个（QuartusIIBlockSymbolFile）模块符号文件，并保存在工程目录中。该模块符号可以被其他图形设计文件调用，实现多层次的系统电路设计。（7）利用上述设计的半加器模块和必要的门电路设计全加器，重复上述过程对所设计的全加器进行仿真，确认满足设计要求以后，最后再利用全加器模块设计8位串行级联加法器。注意：若8位串行级联加法器的文件名取adder8b，则在新建过程时，需要把最顶层文件名取adder8b，并将hadder和fadder等相关文件保存到该工程目录中。（8）引脚锁定为在实验系统上验证设计的正确性，完成硬件测试。如果目标器件是EP1C6Q240C8，选择合适的实验电路模式（参考附录2实验结构图，建议使用模式“1”），并确定输入输出信号进行引脚锁定。建议用键2和键1输入8位加数（此值显示于键对应的数码管上，高位靠左）；键4和键3可输入8位被加数（此值显示于键对应的数码管上，高位靠左）；加法器最低进位位由键8控制；加法器的“和”显示于数码管6和5；加法器溢出位由发光管D8显示。请参考实验一列出引脚锁定信息表。（9）编程下载时建议采用USB方式。（10）硬件测试：自拟测试方法，做好测试数据的记录。五、实验要求将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试实验结果写进实验报告。设计过程：1、设计一位半加器：2、利用前面设计的半加器设计一位全加器：3、利用前面设计的全加器设计8位全加器：4、仿真设计5、配置引脚：6、启动实验箱，检查实验结果，验证实验正确性六、实验思考题（1）与单一设计文件比较，实现层次化设计应注意哪些问题？层次化设计应注意每个层次设计的顺序，从最小层次开始设计，且要保证每个层次设计的正确性，并要记得把上一个层次设计的结果加载到下一个层次设计中。（2）比较图形编辑和文本编辑两种8位二进制加法器的性能，分析它们的主要异同点。以下是文本编辑的参考程序。1）4位二进制数加法器ADDER4B的VHDL描述LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYADDER4BISPORT(CIN4:INSTD_LOGIC;A4:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);B4:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);S4:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);COUT4:OUTSTD_LOGIC);ENDADDER4B;ARCHITECTUREbehavOFADDER4BISSIGNALSINT:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);SIGNALAA,BB:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);BEGINAA='0'&A4;BB='0'&B4;SINT=AA+BB+CIN4;S4=SINT(3DOWNTO0);COUT4=SINT(4);ENDbehav;2）应用ADDER4B设计8位二进制数加法器ADDER8B的VHDL描述LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYADDER8BISPORT(CIN:INSTD_LOGIC;A:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);B:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);S:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);COUT:OUTSTD_LOGIC);ENDADDER8B;ARCHITECTUREstrucOFADDER8BISCOMPONENTADDER4BPORT(CIN4:INSTD_LOGIC;A4:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);B4:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);S4:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);COUT4:OUTSTD_LOGIC);ENDCOMPONENT;SIGNALCARRY_OUT:STD_LOGIC;BEGINU1:ADDER4B--例化一个4位二进制加法器U1PORTMAP(CIN4=CIN,A4=A(3DOWNTO0),B4=B(3DOWNTO0),S4=S(3DOWNTO0),COUT4=CARRY_OUT);U2:ADDER4B--例化一个4位二进制加法器U2PORTMAP(CIN4=CARRY_OUT,A4=A(7DOWNTO4),B4=B(7DOWNTO4),S4=S(7DOWNTO4),COUT4=COUT);ENDstruc;