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本文是本系列的第二篇，本文主要介紹FPGA常用運(yùn)算模塊-加減法器和乘法器，xilinx提供了相關(guān)的IP以便于用戶進(jìn)行開發(fā)使用。

加減法器模塊

在xilinx中，有一個IP模塊提供加減法運(yùn)算的功能，

概述

加法器/減法器IP 提供 LUT 和單個 DSP slice 實現(xiàn)加減法實現(xiàn)。加法器/減法器模塊可以創(chuàng)建加法器（A+B）、減法器(A–B) 和可動態(tài)配置的加法器/減法器，用于操作有符號或無符號數(shù)據(jù)。該功能可以在一個單個 DSP slice 或 LUT（但目前不是兩者的混合）。該模塊可以流水線化。支持fabric實現(xiàn)輸入范圍從1到256位寬，該IP核支持DSP片實現(xiàn)，輸入高達(dá)58位?？蛇x進(jìn)位輸入和輸出、時鐘啟用和同步清除、旁路(負(fù)載)能力、設(shè)置B值為一個常量。

IP核圖示以及端口介紹

如果Constant Input = TRUE and Bypass = FALSE，則B端口不存在。一個用戶定義的核心內(nèi)部常量被應(yīng)用到B操作數(shù)的位置。

輸出位寬設(shè)計

Q的值等于AB輸入兩者之間的最大值。

流水線操作

加法器/減法器模塊可以選擇流水線操作用來提高速度。 流水線操作由延遲參數(shù)控制。 將延遲配置設(shè)置為自動，以實現(xiàn)最優(yōu)的流水線速度。 將延遲配置設(shè)置為手動，以允許在延遲參數(shù)中輸入有效數(shù)量的流水線層級數(shù)。

DSP片

對于DSP片的實現(xiàn)方式，單個的DSP片可以用0、1或2級寄存器進(jìn)行流水線操作。 Latency Configuration = Automatic ，此時優(yōu)化速度延遲獲得最優(yōu)的流水操作速度； 如果Latency = 1, 只有輸出寄存器存在。 Latency = 2，輸出和輸入寄存器都存在。

Fabric 實現(xiàn)

對于使用PFGA的邏輯資源的實現(xiàn)方式，流水線操作是通過將輸入總線 分成許多總線片(等于流水線階段的數(shù)量)來實現(xiàn)的。 在第一階段，對每個總線片做盡可能多的工作，將它們加在一起，并存儲結(jié)果和每個結(jié)果的進(jìn)位輸出。 在第二階段，從最低有效位的部分得到的進(jìn)位被輸入到下一個較高有效位的結(jié)果中，它產(chǎn)生一個進(jìn)位被輸入到下一個階段的下一個結(jié)果中，直到進(jìn)位被傳播到頂部。

因為需要存儲的數(shù)據(jù)較少，所以這比存儲每個切片的輸入直到生成該切片的進(jìn)位的更直觀的技術(shù)更有效。 此外，該設(shè)計更小且更易于布線。

上電或復(fù)位后，流水線模塊需要幾個時鐘周期才使輸出變?yōu)橛行В裳舆t控制參數(shù)指定。

如果在流水線模塊上請求旁路，則旁路值會在延遲控制指定的時鐘周期數(shù)之后出現(xiàn)在輸出上。 如果同時請求旁路和時鐘使能，則必須設(shè)置旁路優(yōu)先級，以便旁路不會覆蓋時鐘使能。 對于流水線模塊，資源使用率大約是非流水線模塊的延遲倍數(shù)。 為了提高時鐘速度，流水線導(dǎo)致面積使用量的顯著增加。 如果需要延遲但面積比速度更重要，請在此模塊的 S 輸出中添加一個基于 SRL16 的移位寄存器，以優(yōu)化面積使用。

加法器IP配置

加法器IP配置如圖所示，

在basic界面，可以對IP的實現(xiàn)方式，輸入的數(shù)據(jù)類型，位寬，IP的方式（加法器、減法器、加減法器）、流水操作延遲方式和延時周期，常數(shù)輸入進(jìn)行配置。

Constant Input and Constant Value ：當(dāng)常量輸入為 TRUE 時，端口 B 設(shè)置為參數(shù) Constant Value 指定的值。 常數(shù)值必須是以二進(jìn)制格式輸入且不得超過 B 輸入寬度。 在大多數(shù)情況下指定端口 B 是一個常量時候，會自動創(chuàng)建一個沒有端口 B 的模塊。 但是在當(dāng)請求旁路功能時，因為需要端口 B 來提供旁路數(shù)據(jù)。 默認(rèn)是端口 B 提供的端口 B 值。 會生成B端口。

加減法器的控制配置界面如下，

在控制界面可以配置加減法器進(jìn)位、旁路、復(fù)位等控制操作。

Carry In :設(shè)置為TRUE時，創(chuàng)建一個C_IN端口。 這是用于加法器的高電平有效進(jìn)位端口和用于減法器和加/減法器的可編程（高電平有效/低電平有效，帶借入/輸出檢測）進(jìn)位端口。

Carry Out :當(dāng)設(shè)置為TRUE時，創(chuàng)建一個端口C_OUT。 實現(xiàn)了加法器和加減法器的高有效同步進(jìn)位，以及可編程（設(shè)置高低有效，借入/借出檢測）的減法器和加減法器中的減法器的借位標(biāo)志。

Bypass ：設(shè)置為 TRUE 時，創(chuàng)建旁路引腳。 激活 BYPASS 引腳設(shè)置輸出為端口 B 上給定的值。 此功能用于創(chuàng)建可加載的計數(shù)器和累加器。

Bypass and Clock Enable (CE) Priority ：該參數(shù)控制是否旁路輸入由時鐘使能限定。 當(dāng)設(shè)置為Bypass_Overrides_CE時，BYPASS 信號的激活也使能寄存器。 當(dāng)設(shè)置為CE_Overrides_Bypass，寄存器必須有 CE 激活才能加載 B 端口數(shù)據(jù)。

Bypass Sense ：控制旁路的敏感電平，是高有效還是低有效，因為高低電平有效在有些時候都能獲得更好的效率。

Borrow In/Out Sense ：當(dāng)設(shè)置為Active_Low時，用于減法的C_IN和C_OUT引腳是低有效的。 這符合fabric實現(xiàn)規(guī)則，是一個最佳設(shè)置。

Synchronous Set ：指定是否包含 SSET 引腳。 在DSP實現(xiàn)模式下，SSET 引腳無效。

Synchronous Init :指定是否包含一個SINIT引腳，當(dāng)斷言時，該引腳同步地將輸出值設(shè)置為Init value定義的值。 如果SINIT存在，那么SSET和SCLR都不存在。 在DSP實現(xiàn)模式下，SINIT引腳是無效的。

Init Value :十六進(jìn)制指定當(dāng)斷言SINIT時輸出初始化為指定的值。 如果Synchronous Init = false 則忽略。

Power on Reset Init Value :指定(十六進(jìn)制)S寄存器在上電復(fù)位時初始化的值。

Synchronous Controls and Clock Enable (CE) Priority : 該參數(shù)控制SCLR(以及邏輯單元模式下的SSET和SINIT)輸入是否由時鐘使能限定。 當(dāng)設(shè)置為 Sync_Overrides_CE 時，同步控制覆蓋 CE 信號。 當(dāng)設(shè)置為 CE_Overrides_Sync 時，控制信號僅在 CE 為高時有效。 請注意，在結(jié)構(gòu)原語上，SCLR 和 SSET 控制覆蓋 CE，因此選擇 CE_Overrides_Sync 通常會導(dǎo)致額外的邏輯。

Sync Set and Clear (Reset) Priority ：控制 SCLR 和 SSET 的相對優(yōu)先級。 當(dāng)設(shè)置為 Reset_Overrides_Set 時，SCLR 會覆蓋 SSET。 默認(rèn)值是Reset_Overrides_Set，因為這是原語的排列方式。 使 SSET 優(yōu)先需要額外的邏輯。

乘法器

乘法器IP實現(xiàn)高性能、優(yōu)化的乘法器方案。 可以使用資源和性能權(quán)衡選項來為特定的應(yīng)用程序定制IP。 該IP支持輸入范圍從1到64位，輸出從1到128位。 所有乘法器都可配置延遲。 當(dāng)使用DSP Slice時，支持對稱四舍五入到無限。

概述

乘法器IP允許設(shè)計者精細(xì)地構(gòu)建定點乘法器。 可以使用 DSP Slices、Slice 邏輯或組合的方式進(jìn)行構(gòu)建乘法器IP，并且針對性能或資源進(jìn)行了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。 常數(shù)系數(shù)乘法器也可以使用許多不同的邏輯資源選項來實現(xiàn)。 并且可以通過流水線操作層級數(shù)量以適應(yīng)延遲和性能要求。 DSP Slice的對稱舍入特性可用于并行乘法器。

IP核圖示以及端口介紹

乘法器IP配置

乘法器IP的basic配置界面如下：

在該界面可以進(jìn)行配置乘法器的類型，乘數(shù)的數(shù)據(jù)類型，位寬，乘法器的實現(xiàn)方式以及優(yōu)化方式。

Multiplier Type ：在并行和常數(shù)系數(shù)乘法器選項之間進(jìn)行選擇。

并行乘法器選項:這些選項只有當(dāng)選擇的乘法器類型是并行乘法器時才可見。

Multiplier Construction ：選擇用于IP實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是LUT還是專用乘法器原語。

優(yōu)化選項 :

DSP48E1 Slice：可以為高達(dá) 47x47 的乘法器大小選擇速度或面積優(yōu)化。 速度優(yōu)化 ：充分利用乘法器原語來提供最高性能的實現(xiàn)。 面積優(yōu)化 ：混合使用切片邏輯和專用乘法器原語來降低基于 DSP 切片的乘法器利用率，同時仍提供合理的性能。 對于 47x47 以上的尺寸，只允許優(yōu)化速度。

LUT-based multipliers : 區(qū)域優(yōu)化降低了延遲和LUT利用率，以可實現(xiàn)的時鐘頻率為代價。 當(dāng)兩個輸入操作數(shù)都是無符號且兩個輸入操作數(shù)都小于16位時，區(qū)域優(yōu)化是最有效的。

Constant-Coefficient Multiplier Options :這些選項只有當(dāng)選擇的乘數(shù)類型是常數(shù)系數(shù)乘法器時才可見。

Coefficient ：在顯示的范圍內(nèi)輸入系數(shù)的整數(shù)值。 支持正系數(shù)和負(fù)系數(shù)。 常量 (B) 端口的輸入類型（有符號或無符號）由 Vivado IDE 根據(jù)輸入的整數(shù)常量自動配置。 可以選擇 A 端口是有符號的還是無符號的。

Memory Options : 選擇乘法器是使用分布式內(nèi)存、塊內(nèi)存還是使用 DSP Slices 來實現(xiàn)。

乘法器IP的輸出控制配置界面如下：

Output Product Range: 根據(jù)輸入操作數(shù)的寬度自動配置輸出產(chǎn)品寬度。

Use Custom Output Width ：如果通過設(shè)置 MSB 和 LSB 范圍，對輸出進(jìn)行切片。

Use Symmetric Rounding ：對于基于 DSP Slice 的并行乘法器，如果需要，可以將乘積對稱舍入到無窮大。這與MATLAB的 round 函數(shù)的行為相同。

流水線和控制信號：

流水線階段：

為乘數(shù)實例選擇流水線操作的層級。右邊的標(biāo)簽提供了關(guān)于實現(xiàn)最佳性能的流水操作的最佳數(shù)量的反饋。

Pipeline Stages = 0 意味著IP是組合的。

Pipeline Stages = 1 意味著IP的輸出是寄存器型的。

Pipeline Stages > 1 使寄存器插入到輸入和輸出之間，直到最優(yōu)的流水線操作的層級。添加更多寄存器可以提高可實現(xiàn)的時鐘速度，同時增加延遲。

流水線操作的層級設(shè)置的值大于最優(yōu)值的值，將導(dǎo)致在輸出時添加基于SRL16的移位寄存器，以實現(xiàn)額外的延遲。

Clock Enable ：選擇設(shè)計中的所有寄存器是否都具有時鐘使能控制。

Synchronous Clear :選擇是否該設(shè)計中的所有寄存器都具有同步復(fù)位控制。

SCLR/CE Priority :當(dāng)SCLR和CE引腳同時存在時，可以選擇scr和CE的優(yōu)先級。選擇 SCLR overrides CE ，使用的資源最少，實現(xiàn)的性能最好。