高速硬件除法器设计

高速硬件除法器设计一、实验目的：了解和掌握硬件除法器的结构和工作原理，分析除法器的仿真波形和工作时序。二、实验原理：除法器算法的思路和手写除法基本一致。假设除法a/b,a、b是输入的两个位数都为n的二进制数。如果位数小于n，可以在位数较少的数的前面添加0来满足这种位数要求。商和余数是n位标准矢量类型的二进制数。在过程中，算法也是按顺序执行的，但是综合后系统将会由组合逻辑电路组成，进程中的每一步都和系统构建的不同级别的逻辑电路相对应。首先，从输入信号中创建变量A和B，A=a，B=b，其中a，b都是n位二进制数。如果A大于等于B，则商为1，余数为A-B，否则商为0，余数为A。这是算法开始的第一次循环，如果小于B，结果商位是0，A的值不做变化并保留其值。否则，结果商位为1，则把相减后的余数插入变量A中。不管比较结果如何，变量A都要右移一位（左边添加0），接着开始下一次循环。循环n次之后，n位结果赋给商，最后A剩余的值就是余数。三、实验任务：用VerilogHDL设计除法器。除法器的参考程序如下：moduleDIV16(inputCLK,input[15:0]A,B,outputreg[15:0]QU,RE);reg[15:0]AT,BT,P,Q;integeri;always@(posedgeCLK)beginAT=A;BT=B;P=16'H0000;Q=16'H0000;for(i=15;i=0;i=i-1)beginP={P[14:0],AT[15]};AT={AT[14:0],1'B0};P=P-BT;if(P[15]==1)beginQ[i]=0;P=P+BT;endelseQ[i]=1;endendalways@(*)beginQU=Q;RE=P;endendmodule其中A和B是除法器输入端的两个16位数据，它们分别为被除数和除数，输出结果分成两部分：QU是商，RE是余数。给出仿真时序波形图。四、实验步骤：实验步骤大致分为三大步。（一）、建立工作库文件和编辑设计文文件任何一项设计都是一项Project（工程），我们一般把一个工程下的所有文件放在一个文件夹内，这样方便我们整理，利用和提取不同工程下的文件，而此文件夹将被EDA软件默认为WorkLibrary（工作库），所以第一步先建立一个新的文件夹。（1）新建文件夹：在F盘建立并保存工程，文件夹取名homework。（2）输入源程序：打开QuartusII，选择菜单File--New--DesignFiles--VerilogHDLFile--OK(如图所示)在打开的空白处工作框处输入任务要求中所列出的代码。（3）保存文件：选择File--Saveas,选择保存路径，即刚才新建的文件夹homework,文件名应与实体名保持一致，即DIV16，点击保存后会跳出“Doyouwanttocreateanewprojectwiththisfile?”选择“是”，则进入如下界面点击Next，进入“工程设置”对话框，如图所示第一行表示工程所在的文件夹，第二行为工程名，可以与顶层文件的实体名保持一致，也可以另取别的名字，第三行为当前工程顶层文件的实体名。点击next，进入ADDFILE对话框，如图所示，单击AddAll按钮，将工程相关的所有VHDL文件加进工程，也可以单击“Add...”选择性加入，按此步骤建立工程，工程已经自动将所有文件加进去了，可以直接点击next，当先直接建立工程时，需要自己添加（4）选择目标芯片：这里选用的是CycloneIII系列的EP3C55F484C8，在Family栏选择芯片系列——CycloneIII，在窗口右边的三个下拉列表框选择过滤条件，分别选择Package为FBGA、Pincount为484和Speedgrade为8，点击Next，如图所示（5）工具设置：进入EDA工具设置窗口，有三个选项，分别是选择输入的HDL类型和综合工具、选择仿真工具、选择时序分析工具，这是除QuartusII自含的所有设计工具以外的外加的工具，如果不作选择的，表示仅选择QuartusII自含的所有设计工具，本次不需要其他的设计工具，可以直接点击Next（6）结束设置：进入“工程设置统计”窗口，列出了与此工程相关的设置情况，设置完成，点击Finish（二）、编译配置好后就可以进行编译了，点击ProcessingStartCompilation命令启动全程编译编译成功后的界面如图所示（三）时序仿真（1）打开波形编辑器：File--New--Verification/DebuggingFiles--VectorWaveform--OK,即出现空白的波形编辑器，如图所示(2)设置仿真时间区域：Edit--EndTime在Time栏中输入50，单位选择“us”，点击确定并保存波形文件（3）将工程DIV16的端口信号名选入波形编辑器中：View--Utilitywindows--NodeFinder,在Filter框中选Pins：all（通常是默认选项），然后点击List，则显示出了所有引脚，如图所示将重要的端口名拖进波形编辑器后关闭窗口,如下图（4）编辑输入波形：首先进行总线数据格式设置和参数设置：点击输入数据信号A的左边的+号，能展开此总线中的所有信号；如果双击此+号左边的信号标记，将弹出对该信号数据格式设置的NodeProperties对话框，在该对话框的Radix下拉列表中有四种选择，这里可选择十进制表达方式，将A、B均设置为十进制表达方式。设置时钟信号其次输入波形数据：由于A、B需要设置输入数据。用鼠标在图所示信号名A、B的某一数据区拖拉出来一块蓝色区域，然后单击左侧工具栏的问号（？）按钮，在弹出窗口输入数据，如0.继而在不同区域设置不同数据。这里为方便观察，A中输入的数据依次是4、5、7、10、22、25、32、40、47、122、200。对应B中输入的数据依次是1、3、4、5、7、10、7、5、6、11、15。如图所示（5）仿真仿真器参数仿真：选择AssignmentSettings命令，在Settings窗口下选择CategorySimulatorSettings。在右侧的Simulationmode下拉列表中选择Timing，即选择时序仿真，并选择仿真激励文件名DIV16.vwf。选择SimulationPeriod栏，确认选中了“Runsimulationuntilallvectorstimuliareused”。启动仿真器：Processing--StartSimulation,直至出现Simulationwassuccessful，仿真结束，然后会自动弹出“SimulationReport”，注意这里点击输出信号“DIV16”旁边的“+”，展开总线中的所有信号，可以更利于我们观察和分析波形。（四）应用RTL电路图观察器操作方法步骤为：Tools--NetlistViewers--RTLViewer。五、实验总结编写代码时要注意用规范的语言，尽量避免严重警告现象的出现。在最后编辑波形时，要选择合适的数值，使波形一目了然。在学习FPGA时，要有一定的提前量，自己在课下要多钻研，尝试去编写代码，利用QuartusII软件自己进行实验操作，找出错误分析错误原因，这样才能不断进行，从而更熟练得掌握这门语言。