4位全加器

四位全加器的VHDL实现

通信0704 王学申0120703490117

一、设计要求：

采用QuartusII或Max+PlusII集成开发环境，利用VHDL硬件描述语言中行为描述模式、结构描述模式或数据流描述模式设计四位进位加法器。

二、设计分析

加法器是数字系统中的基本逻辑器件。多位加法器的构成有两种方式：并行进位和串行进位方式。并行进位加法器设有并行进位产生逻辑，运算速度快；串行进位方式是将全加器级联构成多位加法器。通常，并行加法器比串行级联加法器占用更多的资源，并且随着位数的增加，相同位数的并行加法器比串行加法器的资源占用差距也会越来越大。

实现多位二进制数相加的电路称为加法器,它能解决二进制中1＋1＝10的功能（当然还有 0＋0、0＋1、1＋0）.

三、加法器的分类

（一）半加器

能对两个1位二进制数进行相加而求得和及进位的逻辑电路称为半加器。或：只考虑两个一位二进制数的相加，而不考虑来自低位进位数的运算电路，称为半加器。图1为半加器的方框图。图2为半加器原理图。其中：A、B分别为被加数与加数，作为电路的输入端；S为两数相加产生的本位和，它和两数相加产生的向高位的进位C一起作为电路的输出。

图1 半加器

图2 半加器原理图

根据二进制数相加的原则，得到半加器的真值表如表1所列。

信号输入信号输出

A B S C

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

表1 半加器的真值表

由真值表可分别写出和数S，进位数C的逻辑函数表达式为：

（1） C=AB （2）

由此可见，式(1)是一个异或逻辑关系，可用一个异或门来实现；式(2)可用一个与门实现。仿真结果如图3所示：

图3 半加器仿真图

（二）全加器

除本位两个数相加外，还要加上从低位来的进位数，称为全加器。图4为全加器的方框图。图5全加器原理图。被加数A i、加数B i从低位向本位进位C i-1作为电路的输入，全加和S i与向高位的进位C i作为电路的输出。能实现全加运算功能的电路称为全加电路。全加器的逻辑功能真值表如表2中所列。

信号输入端信号输出端

A i

B i

C i S i C i

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

表2 全加器逻辑功能真值表

图4 全加器方框图

图5 全加器原理图

其仿真结果如图6所示：

图6 全加器仿真图

多位全加器连接可以是逐位进位，也可以是超前进位。逐位进位也称串行进位，其逻辑电路简单，但速度也较低。

五、加法器的VHDL实现

5.1实验步骤

(1)建立新工程项目：

打开Quartus II软件，进入集成开发环境，点击File→New projectwizard建立一个工程项目adder。

图7 项目的建立

建立文本编辑文件：

点击File→New在该项目下新建VHDL源程序文件adder.v

并且输入源程序。

编译工程项目：

在Quartus II主页面下，选择Processing—Start Compilation或点击工具

栏上的按钮启动编译，直到出现“Full Compilation Report”对话框，点击OK 即可。

图8 编译成功

相应的VHDL程序如下所示：

（一）半加器

VHDL语言描述语句为：

so<=a xor b；

co<=a and b

程序设计:

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity h_adder is

port (a,b:in std_logic;

so,co:out std_logic); ――定义输入、输出端口

end h_adder;

architecture bh of h_adder is

begin

so<=a xor b; ――“异或”运算

co<=a and b; ――“与”运算

end bh;

（二）全加器

1位全加器可由两个半加器组成，在半加器的基础上，采用元件调用和例化语句，将件连接起来，而实现全加器的VHDL编程和整体功能。全加器包含了两个半加器和一个或门。在此基础上可设计出四位全加器。

六、四位全加器

1、原理图设计

如图9所示，四位全加器是由半加器和一位全加器组建而成：

图9 四位全加器原理图

下图为四位全加器的时序仿真图：

图10 时序图

四位全加器程序代码如下：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity add4 is

port(cin:in std_logic;

a,b:in std_logic_vector(3 downto 0);

s:out std_logic_vector(3 downto 0);

cout:out std_logic);

end add4;

architecture beh of add4 is

signal sint:std_logic_vector(4 downto 0);

signal aa,bb:std_logic_vector(4 downto 0);

begin

aa<='0' & a(3 downto 0); --4位加数矢量扩为5位，提供进位空间

bb<='0' & b(3 downto 0);

sint<=aa+bb+cin;

s(3 downto 0)<=sint(3 downto 0);

cout<=sint(4);

end beh;