为了减小行波进位加法器中进位传播延迟的影响,可以尝试在每一级中快速计算进位,如果能在较短时间完成计算,则可以提高加法器性能。

我们可以进行如下的推导:

设 gi=xi&yi, pi = xi +y i

ci+1 = xi&y i+x i&ci+yi&ci=xi&yi + (xi+yi)&ci=g i+pi&c i = gi+pi&(gi-1+pi-1&ci-1)=g i+pi&g i-1+pi&pi-1&ci-1= ….=gi+pi &gi-1+pi &pi-1&gi-2+…+pi&pi-1…p2&p1 &g0+pi &pi-1..p1 &p0&c0; 实现这个逻辑电路的加法器是超前进位加法器。从公式中,可以看出门延时要比行波进位加法器小很多。但是电路复杂,逻辑门的扇入数量将限制超前进位加法器的速度。

由于扇入数量限制,通常我们仅实现4位超前进位加法器和8位超前进位加法器,然后在串联成16/32/64等高位加法器。

下面是4位和8位的超前进位加法器代码:

  1. module adder4_fast(
  2. cin,
  3. x,
  4. y,
  5. s,
  6. cout
  7. );
  8.  
  9. input cin;
  10. input [3:0] x;
  11. input [3:0] y;
  12. output [3:0] s;
  13. output cout;
  14.  
  15. wire [4:0] g,p,c;
  16.  
  17. assign c[0] = cin;
  18. assign p = x | y;
  19. assign g = x & y;
  20. //assign c[1] = g[0] | (p[0] & c[0]);
  21. //assign c[2] = g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])));
  22. //assign c[3] = g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))));
  23. //assign c[4] = g[3] | (p[3] & (g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))))));
  24. assign c[1] = g[0] | (p[0] & c[0]);
  25. assign c[2] = g[1] | (p[1]&g[0])|(p[1]&p[0]&c[0]);
  26. assign c[3] = g[2] | (p[2]&g[1])|(p[2]&p[1]&g[0])|(p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  27. assign c[4] = g[3] | (p[3]&g[2])|(p[3]&p[2]&g[1])|(p[3]&p[2]&p[1]&g[0])|(p[3]&p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  28. assign s = x^y^c[3:0];
  29. assign cout = c[4];
  30.  
  31. endmodule
  1. module adder8_fast(
  2. cin,
  3. x,
  4. y,
  5. s,
  6. cout
  7. );
  8.  
  9. input cin;
  10. input [7:0] x;
  11. input [7:0] y;
  12. output [7:0] s;
  13. output cout;
  14.  
  15. wire [8:0] g,p,c;
  16.  
  17. assign c[0] = cin;
  18. assign p = x | y;
  19. assign g = x & y;
  20. //assign c[1] = g[0] | (p[0] & c[0]);
  21. //assign c[2] = g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])));
  22. //assign c[3] = g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))));
  23. //assign c[4] = g[3] | (p[3] & (g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))))));
  24. //assign c[5] = g[4] | (p[4] & (g[3] | (p[3] & (g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))))))));
  25. //assign c[6] = g[5] | (p[5] & (g[4] | (p[4] & (g[3] | (p[3] & (g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))))))))));
  26. //assign c[7] = g[6] | (p[6] & (g[5] | (p[5] & (g[4] | (p[4] & (g[3] | (p[3] & (g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))))))))))));
  27. //assign c[8] = g[7] | (p[7] & (g[6] | (p[6] & (g[5] | (p[5] & (g[4] | (p[4] & (g[3] | (p[3] & (g[2] | (p[2] & (g[1] | (p[1] & (g[0] | (p[0] & c[0])))))))))))))));
  28. assign c[1] = g[0] | (p[0] & c[0]);
  29. assign c[2] = g[1] | (p[1]&g[0])|(p[1]&p[0]&c[0]);
  30. assign c[3] = g[2] | (p[2]&g[1])|(p[2]&p[1]&g[0])|(p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  31. assign c[4] = g[3] | (p[3]&g[2])|(p[3]&p[2]&g[1])|(p[3]&p[2]&p[1]&g[0])|(p[3]&p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  32. assign c[5] = g[4] | (p[4]&g[3])|(p[4]&p[3]&g[2])|(p[4]&p[3]&p[2]&g[1])|(p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&g[0])|(p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  33. assign c[6] = g[5] | (p[5]&g[4])|(p[5]&p[4]&g[3])|(p[5]&p[4]&p[3]&g[2])|(p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&g[1])|(p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&g[0])|(p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  34. assign c[7] = g[6] | (p[6]&g[5])|(p[6]&p[5]&g[4])|(p[6]&p[5]&p[4]&g[3])|(p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&g[2])|(p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&g[1])|(p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&g[0])|(p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  35. assign c[8] = g[7] | (p[7]&g[6])|(p[7]&p[6]&g[5])|(p[7]&p[6]&p[5]&g[4])|(p[7]&p[6]&p[5]&p[4]&g[3])|(p[7]&p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&g[2])|(p[7]&p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&g[1])|(p[7]&p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&g[0])|(p[7]&p[6]&p[5]&p[4]&p[3]&p[2]&p[1]&p[0]&c[0]);
  36. assign s = x^y^c[7:0];
  37. assign cout = c[8];
  38.  
  39. endmodule

下面的代码把4个超前进位加法器串联起来,形成一个32位加法器。

  1. module addern_fast(
  2. cin,
  3. x,
  4. y,
  5. s,
  6. cout
  7. );
  8.  
  9. input cin;
  10. input [31:0] x;
  11. input [31:0] y;
  12. output [31:0] s;
  13. output cout;
  14. wire [2:0] cout_tmp;
  15.  
  16. adder8_fast adder8_fast_0(.cin(cin),.x(x[7:0]),.y(y[7:0]),.s(s[7:0]),.cout(cout_tmp[0]));
  17. adder8_fast adder8_fast_1(.cin(cout_tmp[0]),.x(x[15:8]),.y(y[15:8]),.s(s[15:8]),.cout(cout_tmp[1]));
  18. adder8_fast adder8_fast_2(.cin(cout_tmp[1]),.x(x[23:16]),.y(y[23:16]),.s(s[23:16]),.cout(cout_tmp[2]));
  19. adder8_fast adder8_fast_3(.cin(cout_tmp[2]),.x(x[31:24]),.y(y[31:24]),.s(s[31:24]),.cout(cout));
  20.  
  21. endmodule

下面是4位超前进位加法器的逻辑图:

8位超前进位加法器的波形结果。

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