(原創) 如何設計2數相加的電路? (SOC) (Verilog)

Abstract
y = a + b;一個很簡單的運算，該如何使用數位電路實現呢?

Introduction
使用環境：Quartus II 8.0

y = a + b;這個在C是再簡單不過的運算，不過若要使用Verilog在數位電路實現，初學者可能會遇到一些困難。

y = a + b兩數相加

不使用clock
Add2_assign.v / Verilog

 module Add2_assign (
   input  [7:0] iA,
   input  [7:0] iB,
   output [8:0] oSUM
 );
 
 assign oSUM = iA + iB;
 
 endmodule

合成結果
 
Simulation結果

結果雖然有很多glitch，畢竟組合電路一定會產生glitch，最少目前看到的結果仍正確，結果差強人意，所以想在最後輸出加上一個reg將glitch去除。

使用clock (輸出加上reg)
Add2_always_bad.v / Verilog

 module Add2_always_bad (
   input            iCLK,
   input            iRST_N,
   input      [7:0] iA,
   input      [7:0] iB,
   output reg [8:0] oSUM
 );
 
 always@(posedge iCLK, negedge iRST_N) begin
   if (!iRST_N)
     oSUM <= 0;
   else 
     oSUM <= iA + iB;
 end
 
 endmodule

合成結果

Simulation結果

前面結果還正確，但紅色部分結果是錯的，顯然只在輸出加上reg是不夠的，所以打算將輸入也加上reg。

使用clock (輸入、輸出皆加上reg)
Add2_always_good.v / Verilog

 /* 
 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
 
 Filename    : Add2_always_good.v
 Compiler    : Quartus II 8.0
 Description : Demo how to write y = a + b;
 Release     : 10/04/2008 1.0
 */
 
 module Add2_always_good (
   input            iCLK,
   input            iRST_N,
   input      [7:0] iA,
   input      [7:0] iB,
   output reg [8:0] oSUM
 );
 
 reg [7:0] a, b;
 
 always@(posedge iCLK, negedge iRST_N) begin
   if (!iRST_N) begin
     a    <= 0;
     b    <= 0;
     oSUM <= 0;
   end
   else begin
     a    <= iA;
     b    <= iB;
     oSUM <= a + b;
   end
 end
 
 endmodule

合成結果

Simulation結果

結果相當漂亮，因為用了兩級reg，所以輸出有2 clock delay，不過很穩定的在2個clock後一定會有產出，Fmax可達420Mhz。

為什麼輸入與輸出都要加上reg?
由於加法器在兩級reg中間，所以可以確保輸入後，第一個clock將iA、iB打入第一級D-FF，第二個clock將相加結果打入第二級D-FF，因此可以很穩定的在每次輸入的2個clock之後都有產出，也就是說，加法器這個組合電路可以穩定地在一個clock做完。

或許你會問，若y = a + b + c + d + ..... + z;還能保證1個clock做完嗎?
對，雖然y = a + b + c + d + ..... + z這個組合電路龐大，delay會很嚴重，但由於在兩級reg之間，所以仍然必須在1個clock做完，但由於delay變長，所以period也變長，雖然能是一個clock做完，但Fmax勢必下降，但最少結果是穩定的。

完整程式碼下載
Add2_assign.7z (不使用clock，BAD)
Add2_always_bad.7z (使用clock，僅在輸出加上reg，BAD)
Add2_always_good.7z (使用clock，在輸入與輸出皆加上reg，GOOD)

Conclusion
在本文中，我們可以看到同步設計的優點，可避免glitch所造成的影響，也學到若要在數位電路中做運算，應先將輸入寄存在reg中，並將結果再寄存到reg一次，透過兩級的D-FF，結果將可穩定地在2個clock後產出。

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