使用Verilog/SystemVerilog硬件描述语言 (HDL) 练习数字硬件设计

题目说明

给出了一个可以做16bit加法的模块add16，实例化两个add16以达到32bit加法的。

这个题目的核心就是上面的图片，将两个16bit加法合成32bit加法即可。

模块端口声明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
output[31:0]sum
);

题目解析

这个题目重点是进位的处理，一个add16模块计算结果的低16位，另一个add16模块在接收到第一个的进位后计算结果的高16位。此32bit加法器不需要处理输入进位(假设为0)和输出进位(无需进位)，但为了内部模块为了结果的正确仍要处理进位信号。(换句话说，add16模块执行16bit的a+b+cin，而顶层模块执行32bit的a+b)

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
outputlogic[31:0]sum
);

wirelogic[15:0]sum_temp0,sum_temp1;
varlogiccout1;
add16d1(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(1'd0),
.sum(sum_temp0),
.cout(cout1)
);

add16d2(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(cout1),
.sum(sum_temp1),
.cout()
);

assignsum={sum_temp1,sum_temp0};
endmodule

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 25-Module fadd

题目说明

在本练习中，将创建具有两个层次结构的电路。top_module将实例化add16（提供）的两个副本，每个副本将实例化add1（必须自己编写）的 16 个副本。因此，必须编写两个模块：top_module和add1。与Problem 24: Adder 1(Module add)一样，提供给您一个执行16bit的加法的模块。您需要实例化两个16bit加法模块来实现32bit加法器。一个add16计算加法结果的低16位，另一个计算结果的高16位。您的32位加法器同样不需要处理进位输入(假设为0)和进位输出(无需进位)信号。

如下图所示，将add16模块连接在一起，给出的add16模块如下：

moduleadd16(input[15:0]a,input[15:0]b,inputcin,output[15:0]sum,outputcout);

在每个add16中，16 个全加器（模块add1，未提供）被实例化以实际执行加法。必须编写具有以下声明的完整加法器模块：

moduleadd1(inputa,inputb,inputcin,outputsum,outputcout);

回想一下，全加器计算 a+b+cin 的和和进位。

综上所述，本设计共有三个模块：

top_module— 顶级模块包含两个add16

add16 — 一个 16 位加法器模块，由 16 个add1组成

add1 — 1 位全加器模块。

如果提交缺少add1模块，将收到一条错误消息，内容为：

Error(12006):Nodeinstance"user_fadd[0].a1"instantiatesundefinedentity"add1".

 

模块端口声明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
output[31:0]sum
);

题目解析

只比上一题复杂些，核心内容没变。

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
outputlogic[31:0]sum
);//

wirelogiccout;

add16u1_add16(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(1'd0),
.sum(sum[15:0]),
.cout(cout)
);

add16u2_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(cout),
.sum(sum[31:16]),
.cout()
);

endmodule

moduleadd1(inputlogica,
inputlogicb,
inputlogiccin,
outputlogicsum,
outputlogiccout
);

//Fulladdermodulehere
assign{cout,sum}=a+b+cin;
endmodule

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 26-Module_cseladd

题目说明

上一个练习中(Problem 25: Adder 2(Module fadd))实现的加法器应该叫做行波进位加法器(RCA: Ripple-Carry Adder)。这种加法器的缺点是计算进位输出的延迟是相当慢的(最坏的情况下，来自于进位输入)。并且如果前一级加法器计算完成之前，后一级加法器不能开始计算。这又使得加法器的计算延迟变大。

一种改进是进位选择加法器，如下所示。第一级加法器与之前相同，但我们复制第二级加法器，一个假设进位=0，一个假设进位=1，然后使用快速2对1多路复用器选择哪个结果碰巧是正确的。

在本练习中，将获得与上一个练习相同的模块add16，该模块将两个 16 位数字与进位相加，并产生一个进位和 16 位和。必须实例化其中的三add16来构建进位选择加法器，同时实现16bit的2选1选择器来选择结果。

如下图所示将模块连接在一起。提供的模块add16具有以下声明：

moduleadd16(input[15:0]a,input[15:0]b,inputcin,output[15:0]sum,outputcout);

 

模块端口声明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
output[31:0]sum
);

题目解析

这题是上一题的改进版本的加法器，其实这也是我们数电上学到的CSA(Carry-Select Adder，选择进位加法器)，其相对于行波进位加法器延迟小一半左右，但是其是利用资源换取的，所以相应消耗的资源增加约一倍。

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
outputlogic[31:0]sum
);

wirelogiccout_sel;
wirelogic[15:0]upperbit_sum0,upperbit_sum1;
add16u0_add16(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(1'd0),
.sum(sum[15:0]),
.cout(cout_sel)
);

add16u1_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(1'd0),
.sum(upperbit_sum0),
.cout()
);

add16u2_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(1'd1),
.sum(upperbit_sum1),
.cout()
);

always_comb
begin
uniquecase(cout_sel)

1'd0:sum[31:16]=upperbit_sum0;
1'd1:sum[31:16]=upperbit_sum1;
default:sum[31:16]=upperbit_sum0;
endcase
end
endmodule

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 27-Module addsub

题目说明

减法器可以通过选择性地取反一个输入而从加法器构建，这相当于将输入反相然后加 1。最终结果是一个可以执行两种操作的电路：(a + b + 0) 和 ( a + ~b + 1)。

题目要求构建下面的加减法器。

提供了一个 16 位加法器模块，需要对其进行两次实例化：

moduleadd16(input[15:0]a,input[15:0]b,inputcin,output[15:0]sum,outputcout);

每当sub为 1 时，使用 32 位宽的 XOR 门来反转b输入。（这也可以被视为b[31:0]与sub复制32次相异或)。同时sub信号连接到加法器的进位。

图片来自 HDLBits

模块端口声明

moduletop_module(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
inputsub,
output[31:0]sum
);

题目解析

这个题目考察的是减法器，这里就用到数电小常识：减去一个数等于加上这个数的补码(就是题中的按位取反再加1)。

moduletop_module(
inputlogic[31:0]a,
inputlogic[31:0]b,
inputlogicsub,
outputlogic[31:0]sum
);

wirelogiccout_0;
wirelogic[31:0]b_reverse;
assignb_reverse=b^{32{sub}};

add16u1_add16(
.a(a[15:0]),
.b(b_reverse[15:0]),
.cin(sub),
.sum(sum[15:0]),
.cout(cout_0)
);


add16u2_add16(
.a(a[31:16]),
.b(b_reverse[31:16]),
.cin(cout_0),
.sum(sum[31:16]),
.cout()
);
endmodule

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

审核编辑：刘清