實驗22 4位串行累加器

• （1）熟悉和掌握FPGA開發(fā)流程和Lattice Diamond軟件使用方法；
• （2）通過實驗了解累加器的意義及原理方法
• （3）掌握使用Verilog HDL語言基于FPGA實現(xiàn)累加器的原理及實現(xiàn)方法

設計一個4位串行累加器，電路原理框圖如圖所示，在開關K處設置串行輸入數(shù)據(jù)，在CP端輸入8個脈沖，將完成一次，兩個四位串行數(shù)據(jù)的相加，結果存D-A中。

根據(jù)上述電路框圖，可以分割系統(tǒng)任務。

累加器是一個具有特殊功能的二進制寄存器，可以存放計算產生的中間結果，省去了計算單元的讀取操作，能加快計算單元的速度。串行累加器是由移位寄存器和全加器組成的一個求和電路。
由題目給出的要求可以分析組合邏輯電路一是一個全加器電路；組合邏輯電路二和組合邏輯電路三加上JK觸發(fā)器組成了加法超前進位電路，D-A是儲存結果的寄存器。

頂層模塊由4個模塊組成：

Shift U1模塊；輸入的串行寄存器，把輸入的串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)寄存

Adder U2模塊：一位的二進制全加器模塊，輸入的進位信號由超前進位邏輯產生

Ahead U3模塊：超前進位邏輯，根據(jù)題目要求用JK觸發(fā)器產生超前進位

Shift U4模塊：一位全加器輸出再移位輸出保存在4位寄存器中

設計文件accum4.v

 module accum4
 (
 input wire datain,     //數(shù)據(jù)輸入
 input wire clk,rst,    //脈沖和復位輸入信號
 output wire [3:0] sum  //累加結果
 );
 wire [3:0] adder;      //寄存器1，存儲輸入加數(shù)內容
 wire [3:0] sumer;      //寄存器2，存儲被加數(shù)內容
 wire cin;              //全加器超前進位信號
 wire sumout;           //全加器輸出 
 assign sum = sumer;    //累加結果輸出
 shift u1               //移位寄存器，把數(shù)據(jù)存入加數(shù)寄存器
 (
 .clk(clk),           
 .rst(rst),			 
 .datain(datain),  
 .dataout(adder) 	
 );
 adder1 u2              //全加器，兩個寄存器的最低位相加，進位由超前進位邏輯輸出
 (
 .a(sumer[0]),           
 .b(adder[0]),
  .cin(cin),.sum(sumout),     
  .cout());ahead u3              //超前進位邏輯，產生進位信號
  (
  .a(sumer[0]),.b(adder[0]),.clk(clk),.rst(rst),
  .q(cin)
  ); 
shift u4              //移位寄存器，將全加器結果存入被加數(shù)寄存器
(
.clk(clk),           
.rst(rst),			  
.datain(sumout),  
.dataout(sumer) 	  
);
endmodule

頂層文件里面例化了shift.v、adder1.v、ahead.v等模塊，其中全加器和移位寄存器的源碼文件在前面章節(jié)有介紹
我們看看超前進位邏輯的源碼ahead.v

 //   Description     :   超前進位邏輯產生 
 //				JK觸發(fā)器：Qi+1=J!Qi+!KQi
 //				全加器進位：Ci+1=AiBi+(Ai+Bi)Ci=AiBi!Ci+!(Ai+Bi)Ci
 //				推導得出：J=AiBi，K=!(Ai+Bi)
 //********************************************************
 module ahead
 (
 input wire a,b,clk,rst,
 output wire q
 );
 wire j,k;jk_ff  u1              //例化JK觸發(fā)器
 (						
 .clk(clk),.j(j),.k(k),.rst(rst),.set(),	
 .q(q),.qb()
 );
 assign j = a&b;        //根據(jù)推導得到J,K與加法器輸入信號邏輯關系
 assign k = ~(a|b);
 endmodule

仿真文件accum4_tb.v

 `timescale 1ns/100ps    //仿真時間單位/時間精度        
 module accum4_tb(); 
 reg    clk,rst,datain; 
 reg [7:0] data;
 wire   [3:0]sum; //初始化過程塊
 initial
 begin
	clk = 0;
	rst = 0;  
	data <= 8'b00100001;   //串行輸入數(shù)據(jù)初值
	#25                      
	rst = 1;               
	end
	always #10 clk = ~clk;      
	always @(posedge clk)       //產生串行輸入數(shù)據(jù)
	datain
	if(!rst)
		begin
			datain <= 0;
		end
	else
		begin
			data <={0,data[7:1]};
			datain <= data[0];
		end
 //module調用例化格式
 accum4   u1 
 (
		.clk	(clk),     
		.rst	(rst), 
		.datain (datain),
		.sum	(sum)   
		);
		endmodule

1. 打開Lattice Diamond，建立工程。
2. 新建Verilog HDL設計文件，并鍵入設計代碼，包括添加需要調用的模塊文件。
3. 根據(jù)仿真教程，實現(xiàn)對本工程的仿真，驗證仿真結果是否與預期相符。
4. 如果仿真無誤，構建并輸出編程文件，燒寫至FPGA的Flash之中。
5. 觀察輸出結果。

仿真結果如下圖所示：

仿真文件的串行輸入數(shù)據(jù)也是靠串行轉并行移位寄存器輸入，所以累加器計算的時鐘要順延8個clock得到結果。可以修改仿真文件中的串行輸入數(shù)據(jù)初值驗證累加器結果。