基于SparkRoad的《Verilog数字系统设计教程·第三版（夏宇闻）》学习（11）——第10章

学习：

1. 常常用到多位数字量的加法计算，则需要使用并行加法器。并行加法器比串行加法器快很多。
   现在采用的较多的是 Carry-Look-Ahead-Adder 加法器（也称超前进位加法器），只是在几个全加器的基础上加了一个超前进位形成逻辑，以减少由于逐位进位信号的传递所造成的延时。
2. 推荐清华大学刘宝琴《数字电路与系统》

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思考题：

1. 写出8位加法器和8位乘法器的逻辑表达式,比较用超前进位逻辑和不用超前进位逻辑的延迟。
   1. 八位加法器：

   module adder8(a,b,sum,cout);
   input [7:0]a,b;
   output  [7:0]sum;
   output  sum;
   assign {cout,sum}=a+b;   // 见书P142
   endmodule
   

   2. 八位乘法器：

   module multiplier(a,b,m);
   input [7:0]a,b;
   output [15:0]m;
   assign m=a*b;
   endmodule   //见书P145
   

   3. [超前进位加法器原理与设计](【HDL系列】超前进位加法器原理与设计 - 知乎 (zhihu.com))
      1. 由这些路径可知，从 a，b，cin 输入数据准备好，到所有的 s 和 cout 完成，a 或 b 到 cout 共有三个门电路延迟，是全加器的最长路径，且 s 不参与下一级全加器运算，cout 将作为下一个 cin 输入继续计算下一级的 s 和 cout
      2. 由 N 个全加器级联的行波进位加法器除了第一个进位 c1有3个门延迟外，剩余 N-1个全加器生成进位需要2个门电路延迟，所以 N 比特行波进位加法器最长路径共有“（3+（N-1）* 2）=2N+1”个门电路延迟
2. 为什么用算术操作符号表示的加法器和乘法器能通过综合器转变成逻辑电路?除了用算术操作符的表达式实现加法器和乘法器外,是否可以直接引用可配置的参数化实例来实现算术操作电路?
   因为库中已经存在着可配置的参数化加法器乘法器的电路结构和相应行为模型。可以直接引用可配置的参数化实例来实现算术操作电路。
3. 提高复杂运算组合逻辑运算速度有哪些办法?
   采用流水线（pipe-line）的设计方法，用总线的方式实现数据流通。
4. 如何用 Verilog HDL 模块来描述总线的操作?为什么总线的操作必须有严格的时序控制?
   1. 各运算部件和数据寄存器可以通过带控制的三态门与总线的连接，通过对控制端电平的控制来确定在某一段时间内，总线归哪两个或哪几个部件使用。因为使总线连接模块能正常工作的最重要的因素是与其他模块的配合，控制信号的互相配合由同步状态机控制的开关阵列控制。
   2. 流水线设计实际上是把规模较大、层次较多的组合逻辑电路分为几个级，在每一级插入寄存器组并暂存中间数据——P 149
   3. 采用流水线设计的优势在于它能提高吞吐量（throughput）
   4. 采用流水线技术可以在相同半导体工艺的前提下通过电力结构的改进来大幅度地提高重复多次使用的复杂组合逻辑计算电路的吞吐量
   5. 吞吐量是指对网络、设备、端口、虚电路或其他设施，单位时间内成功地传送数据的数量（以比特、字节、分组等测量）。
5. 详细解释为什么采用流水线的办法可以显著提高层次多的复杂组合逻辑的运算速度。
   采用流水线技术可以在相同的半导体工艺的前提下通过电路结构的改进大幅度地提高重复多次使用的复杂组合逻辑计算电路的吞吐量，从而来提高层次多的复杂组合逻辑的运算速度。如果某个组合逻辑设计的处理流程可以分为若干个步骤，而且整个数据处理过程是单向的即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则可以考虑采用流水线设计方法提高系统的数据处理频率即吞吐量。把组合逻辑分成延迟时间相等的小块，每块完成一定的组合逻辑功能都用寄存器暂存保存组合逻辑输出的数据值，只要小块的组合逻辑的延迟小于时钟周期，整个组合逻辑的输入值每个时钟就可以变化一次不会由于组合逻辑的延迟引起输出值的错误，若没有这些寄存器来暂时保存局部组合逻辑的输出值，则为了保证整个组合逻辑的输出正确，输出端信号的变化周期必须大于整体逻辑的延迟时间。数据处理的吞吐量受到限制，采用流水线方法，虽然第一次输出有较长的延迟，但过了若干个周期后，每个时钟周期可以输出值一次, 数据处理的频率，即吞吐量大大增加了。