原码一位乘法器的设计说明

第1章总体设计方案

1.1 设计原理

原码一位乘乘法器中用三个寄存器X，Y和BFJ分别存放被乘数，乘数和部分积。乘法运算开始时，BFJ寄存器被清零，作为初始部分积。被乘数放在X 寄存器中，乘数放在Y寄存器中。实现部分积和被乘数相加是通过X送加法器和Y送加法器，在加法器中完成的。加法器的输出经过移位电路向右移一位送入BFJ寄存器中。Y寄存器是用移位寄存器实现的，其最低位用作Y送加法器的控制命令。因为原码一位乘是通过乘数的最低位是1还是0来确定加数的，当乘数的最后一位为1的时候，部分积加上被乘数，当乘数的最后一位为0的时候，部分积加上0。加法器最低一位的值，在右移的过程中将被移入Y寄存器的最高数值位，这样就使积的低位部分被保存在Y寄存器中，最开始的乘数在逐位右移的过程中不断丢失，直到移位结束。乘法运算完成以后BFJ寄存器中保存的数值是乘积的高位部分，Y寄存器即乘数寄存器中保存乘积的低位部分。

1.2设计思路

实现原码一位乘乘法的逻辑框图如图1.2所示，BFJ存放部分积，X存放被乘数，Y存放乘数。

一个实现一位原码乘法运算的运算器可以由一个被乘数寄存器，一个乘数寄存器，一个部分积寄存器，一个加法器，一个计数器，二选一选择电路以及移位电路七个模块构成。顶层的乘法器模块采用原理图设计输入方式。

被乘数寄存器模块中X为被乘数输入端，LOAD为数据打入电平，CLK为输入脉冲，XOUT为数据输出端口。

乘数寄存器模块中Y为乘数输入端，LOAD为数据打入电平，CLK位输入脉冲，INPUT为部分积最低位输入端，YOUT为数据输出端口，LOWBIT为数乘数最低位输出端。

部分积寄存器中IN为部分积右移一位以后的数据输入端，CLR为清零电平，CLK为输入脉冲，HIGH为加法器的进位输入端，OUT为部分积右移一位后数

据输出端。

图1.2实现原码一位乘法的逻辑电路框图

计数器模块中CLR为清零端，CLKI为输入脉冲，CLKO为脉冲输出。

二选一选择电路中IN为被乘数输入端口，CTR为控制信号输入。OUT为数据输出。

二选一选择电路模块用原理图输入方式，被乘数寄存器，乘数寄存器，部分积极寄存器和计数器模块采用verilog HDL语言设计输入方式。

首先，单独调试仿真每个模块，确定在没有错误以后，再对整个运算器模块进行仿真。在没有错误的前提下，生成furui.bit文件下载到XCV200可编程逻辑芯片中经硬件测试验证运算结果。

1.3 设计环境

·硬件环境：伟福COP2000型计算机组成原理实验仪、XCV200实验板、微机。

·EDA环境：Foundation 3.1设计软件。

第二章详细设计方案

2.1 顶层方案图的设计与实现

顶层方案图实现原码一位乘法运算的逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，电路实现基于XCV200可编程逻辑芯片。完成原理图的功能设计后，把输入/输出信号安排到XCV200指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定。

2.1.1创建顶层图形设计文件

顶层图形文件主要由两个数据输入端，一个脉冲输入端，一个启停控制端，一个数据输出端组成。定点原码一位乘乘法器的顶层原理图见图2.1。

2.1.2器件的选择与引脚锁定

（1）器件的选择

硬件设计环境基于伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板，采用目标芯片为Xlinx XCV200可编程逻辑芯片。

（2）引脚锁定

把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到Xlinx XCV200芯片指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，原理图中各信号及Xlinx XCV200芯片引脚对应关系如下表：

2.2第二层方案图的设计与实现

第二层图形文件主要由两个数据输入端，一个脉冲输入端，一个启停控制端，一个数据输出端以及相对应的被乘数寄存器模块，乘数寄存器模块，部分积寄存器模块，加法器模块，计数器模块，数据选择电路模块以及移位电路模块组成。第二层原理图见图2.2。

计数器模块起控制整个运算过程的作用。实现控制器的功能，其它所有需要脉冲的模块均受计数器即控制器的控制。当控制器的输入端（清零端）为低电平的时候，控制器才启动整个运算过程，只有当控制器的输出出现脉冲的时候，其它需要脉冲的模块才开始工作，当达到需要运算次数后，控制器封锁脉冲。各寄存器保持值不变。

被乘数寄存器模块的功能是实现被乘数寄存，接收来自外部输入数据,提供选择器模块的输入。

乘数寄存器模块的功能是实现乘数的寄存，接收来自外部输入数据,还具有向右移位的功能，将从部分积寄存器传来的数据保存在最高位，同时将乘数的最低位输出作为数据选择器的控制端。也作为最后乘积的低位部分寄存器。

数据选择器模块的功能是实现数据的选择，当从乘数寄存器传来的控制信号为高电平时，输出为被乘数，作为加法器的一个输入，当从乘数寄存器传来的控制信号位低电平时，输出为零，作为加法器的输入。

部分积寄存器模块的功能是寄存从移位电路传过来的数据，作为加法器的输入。

移位电路模块起将部分积移位的作用，同时达到了让所有模块在同一个脉冲下工作脉冲同步的作用，由于用组合逻辑电路形成的移位电路不需要脉冲的打入就能工作，当加法器的输出改变时，移位电路就将移位后的部分积送给了部分积

寄存器，而不需要让部分积先将未移位的部分积打如寄存器，再移位的过程。

图2.1 定点原码一位乘乘法器的顶层原理图

图2.2 定点原码一位乘乘法器的第二层原理图

2.3功能模块的设计与实现

被乘数寄存器模块，乘数寄存器模块，计数器模块，部分积寄存器模块用verilog HDL语言设计输入方式实现。数据选择器模块用原理图设计输入方式实现。

2.3.1被乘数寄存器模块的设计与实现

此模块用Verilog HDL语言输入方式设计，运算位数为8位，实现被乘数的接收及寄存，提供选择器模块的输入。用X总线输入，XOUT总线输出。当输入端LOAD为高电平的时候，被乘数寄存器把总线X的数据打入，当LOAD为低电平的时候，被乘数寄存器保持数据不变。该模块的符号如图2.31。

图2.311 被乘数寄存器的符号

Verilog代码如下：

module JICUNQIX (CLK, X, LOAD, XOUT) ;

input CLK ;

input [7:0] X ;

input LOAD ;

output [7:0] XOUT ;

reg [7:0]XOUT;

// add your declarations here

always (posedge CLK)

begin

if(LOAD)XOUT=X;

end

// add your code here

endmodule

被乘数寄存器模块功能仿真见图2.312