FPGA实现1位全加器和4位全加器

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了FPGA实现1位全加器和4位全加器。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1、目的

1、基于Quartus件完成一个1位全加器的设计，分别采用：1）原理图输入以及 2）Verilog编程这两种设计方法。

2、在此基础上，用原理图以及Verilog 编程两种方式，完成4位全加器的设计，对比二者生成的 RTL差别；使用modelsim验证逻辑设计的正确性。

2、了解全加器：

1 1位全加器的真值表：

num1和num2是加数，cin是低位进位，cout是高位进位（我将其理解为溢出），sum是本位和

num1	num2	cin	cout	sum
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	1

2 输出公式：

sum=num1⊕num2⊕cin
cout=(num1⊕num2)* cin+num1* num2=(num1&num2)∣(num1&cin)∣(num2&cin)

3 原理图：

FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

3、输入原理图实现1位全加器

1 创建工程项目

FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

然后在出现的界面下先Next，填写工程的路径和名称，我这里创建的项目名称为full_add_1bit；然后接着Next，直到出现下面界面并进行相应操作。接着一路Next，直到Finish，完成工程的创建。
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

2 全加器原理图输入

点击File->New之后会显示如下界面，然后选择被方框框住的选项
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发
然后就会进入到编辑界面，然后按照下面的步骤进行操作。input/output组件也是这样获得的

双击器件可以修改器件名称，为了之后的试验，将两个input分别修改为num1和num2，and2的输出为cout，xor的输出为sum。绘制出来的原理图如下图所示
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发
保存文件（ctrl+s），并编译

等待编译完成之后就可以通过Tool->Netlist Viewers->RTL Viewer，来查看电路图

3 仿真实现

创建一个向量波形文件，File->New，然后选择“University Program VWF”
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发
之后会进入到这个界面，然后按照图片中的步骤进入到信号添加界面

然后先选择Node Finder这个选项，然后再点击List，之后点击’>>'，然后点击两次OK，就可以回到上面的那个界面，并且，此时信号也添加成功了。
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发
添加成功之后的界面：

编辑信号：

编辑好之后先保存这个文件，然后点击功能仿真按钮（左边），结果：

时序仿真：

如果出现了错误，返回quartus界面，选择tool->launch simulation library complier进行配置。
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4、Verilog实现加法器

1 创建并编写verilog文件

先创建一个verilog文件：
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将代码复制到新建的verilog文件中，代码：

module full_add_1bit(   // 模块名和文件名相同，文件名和项目名相同
    num1, 
    num2,
    cin,
    cout, 
    sum,
);

input   num1;  // 加数
input   num2;  // 被加数
input   cin;  // 低位进位
output  cout;  // 向高位进位
output  sum;  // 结果

reg     sum;  
reg     cout;
always @(num1 or num2 or cin) begin
    sum = (num1 ^ num2) ^ cin;
    cout = (num1 & num2) | (num2 & cin) | (num1 & cin);
end
endmodule

2 查看生成的电路图

先将之前创建的电路图文件从项目中删除，也就是.bdf文件删除，否则会有报错。记得要把新建的verilog文件设置为顶层文件
然后进行编译，当编译完成之后就可以进行电路图的查看了。通过tool->Netlist Viewers->RTL Viewer进行查看。 FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

3 仿真实现

创建一个vwf文件，然后接下来的操作和之前的相同，就不再过多赘述。这里就直接给出仿真结果
功能仿真结果：
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

时序仿真结果：
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

5、拓展：4位全加器

1 4位全加器原理图

这里面使用的组件是封装的，如何封装可以参考：参考博客
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

2 仿真实现

先创建一个向量波形文件，然后将信号添加进去。这里的操作和前面几乎相同。我们直接看仿真结果：
FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发

6、Verilog实现4位全加器

思路

实际上四位全加器和一位全加器的差别并不是很大。我们以一个例子来解释，比如说：这里有两个数，分别是num1=0011，num2=1110。我们算的时候是从最后一位开始一直向前加：
num1的最后一位是1，num2的最后一位是0，两个相加得到01，所以sum的最后一位是1，没有进位；
num1的倒数第二位是1，num2的倒数第二位是1，没有低位进位，相加得10，所以sum的倒数第二位是0，向前进位为1；
num1的第二位是0，num2的第二位是1，低位进位为1，所以相加得10，sum的第二位为0，向前进位为1；
num1的第一位是0，num2的第一位是1，低位进位为1，所以相加得10，sum的第一位为0，向前进位为1；
所以，通过上面的步骤，我们可以得到sum=0001，向前进位cout=1。

1 创建文件，编写代码

先创建一个verilog文件，并将下面代码复制到文件中

module four (
    num1,
    num2,
    cin,
    cout,
    sum
);

input   [3:0]   num1;
input   [3:0]   num2;
input           cin;
output          cout;
output  [3:0]   sum;


reg             cout;
reg     [3:0]   sum;
reg             add;

always @(num1 or num2 or cin)
begin
    // 第一位
    sum[0] = (num1[0] ^ num2[0]) ^ cin;
    cout = (num1[0] & num2[0]) | (num2[0] & cin) | (num1[0] & cin);
    add = cout;
    // 第二位
    sum[1] = (num1[1] ^ num2[1]) ^ add;
    cout = (num1[1] & num2[1]) | (num2[1] & add) | (num1[1] & add);
    add = cout;
    // 第三位
    sum[2] = (num1[2] ^ num2[2]) ^ add;
    cout = (num1[2] & num2[2]) | (num2[2] & add) | (num1[2] & add);
    add = cout;
    // 第四位
    sum[3] = (num1[3] ^ num2[3]) ^ add;
    cout = (num1[3] & num2[3]) | (num2[3] & add) | (num1[3] & add);
    add = cout;
end
endmodule

2 查看电路

记得将verilog文件设置为顶层文件之后再进行操作
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3 仿真实现

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7、ModelSim验证4位全加器

1 创建源文件和testbench文件

源文件，four.v

module four (
    num1,
    num2,
    cin,
    cout,
    sum
);

input   [3:0]   num1;
input   [3:0]   num2;
input           cin;
output          cout;
output  [3:0]   sum;


reg             cout;
reg     [3:0]   sum;
reg             add;
reg     [1:0]   cnt;
always @(num1 or num2 or cin)
begin
    // 第一位
    sum[0] = (num1[0] ^ num2[0]) ^ cin;
    cout = (num1[0] & num2[0]) | (num2[0] & cin) | (num1[0] & cin);
    add = cout;
    // 第二位
    sum[1] = (num1[1] ^ num2[1]) ^ add;
    cout = (num1[1] & num2[1]) | (num2[1] & add) | (num1[1] & add);
    add = cout;
    // 第三位
    sum[2] = (num1[2] ^ num2[2]) ^ add;
    cout = (num1[2] & num2[2]) | (num2[2] & add) | (num1[2] & add);
    add = cout;
    // 第四位
    sum[3] = (num1[3] ^ num2[3]) ^ add;
    cout = (num1[3] & num2[3]) | (num2[3] & add) | (num1[3] & add);
    add = cout;
end
endmodule

testbench文件，four_tb.v

module four_tb ();
    reg     [3:0]     num1;
    reg     [3:0]     num2;
    reg               cin;
    wire              cout;
    wire    [3:0]     sum;

    four uut(
        .num1(num1),
        .num2(num2),
        .cin (cin),
        .cout(cout),
        .sum (sum)
    );
    initial
    begin
            num1 <= 4'b0000; num2 <= 4'b0000; cin <= 0;
        #10 num1 <= 4'b0000; num2 <= 4'b0000; cin <= 1;
        #10 num1 <= 4'b0101; num2 <= 4'b0001; cin <= 0;
        #10 num1 <= 4'b1000; num2 <= 4'b0100; cin <= 0;
        #10 num1 <= 4'b1111; num2 <= 4'b1111; cin <= 0;
        #10 num1 <= 4'b1100; num2 <= 4'b0100; cin <= 1;
        #10 num1 <= 4'b0011; num2 <= 4'b0000; cin <= 1;
        #10 num1 <= 4'b1111; num2 <= 4'b1111; cin <= 1;
    end
endmodule

2 创建ModelSim项目

打开ModelSim之后创建一个项目，将刚才创建的两个文件加入到项目当中。然后将文件进行编译，成功之后就可以进行进行验证了。

3 验证结果

FPGA实现1位全加器和4位全加器,fpga开发
如果要把每一种情况都进行测试的话肯定是不可能的，所以这里只测试几条数据，以验证程序逻辑的正确性。根据验算，这里的结果是没有问题的。

8、总结

总的来说，这次的试验还是比较简单的。相当于是熟悉一下这些软件和代码的编写。为之后的学习打下一定的基础。

9、参考

https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115480406
https://blog.csdn.net/m0_46653805/article/details/118736483文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-753041.html

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