FPGA 高手养成记-手把手解析时序逻辑乘法器代码

下面是一段16位乘法器的代码，大家可以先浏览一下，之后我再做详细解释

 1module mux16(  2 clk,rst_n,  3 start,ain,bin,yout,done  4);  5  6 input clk; //芯片的时钟信号。  7 input rst_n; //低电平复位、清零信号。定义为0表示芯片复位；定义为1表示复位信号无效。  8 input start; //芯片使能信号。定义为0表示信号无效；定义为1表示芯片读入输入管脚得乘数和被乘数，并将乘积复位清零。  9 input[15:0] ain; //输入a（被乘数），其数据位宽为16bit. 10 input[15:0] bin; //输入b（乘数），其数据位宽为16bit. 11 output[31:0] yout; //乘积输出，其数据位宽为32bit. 12 output done; //芯片输出标志信号。定义为1表示乘法运算完成. 13 14 reg[15:0] areg; //乘数a寄存器 15 reg[15:0] breg; //乘数b寄存器 16 reg[31:0] yout_r; //乘积寄存器 17 reg done_r; 18 reg[4:0] i; //移位次数寄存器 19 //------------------------------------------------ 20 //数据位控制 21 always @(posedge clk or negedge rst_n) 22 if(!rst_n) i <= 5'd0; 23 else if(start && i < 5'd17) i <= i+1'b1; 24 else if(!start) i <= 5'd0; 25 26 //------------------------------------------------ 27 //乘法运算完成标志信号产生 28 always @(posedge clk or negedge rst_n) 29 if(!rst_n) done_r <= 1'b0; 30 else if(i == 5'd16) done_r <= 1'b1; //乘法运算完成标志 31 else if(i == 5'd17) done_r <= 1'b0; //标志位撤销 32 33 assign done = done_r; 34 35 //------------------------------------------------ 36 //专用寄存器进行移位累加运算 37 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 38 if(!rst_n) begin 39 areg <= 16'h0000; 40 breg <= 16'h0000; 41 yout_r <= 32'h00000000; 42 end 43 else if(start) begin //启动运算 44 if(i == 5'd0) begin //锁存乘数、被乘数 45 areg <= ain; 46 breg <= bin; 47 end 48 else if(i > 5'd0 && i < 5'd16) begin 49 if(areg[i-1]) yout_r = {1'b0,yout[30:15]+breg,yout_r[14:1]}; //累加并移位 50 else yout_r <= yout_r>>1; //移位不累加 51 end 52 else if(i == 5'd16 && areg[15]) yout_r[31:16] <= yout_r[31:16]+breg; //累加不移位 53 end 54 end 55 56 assign yout = yout_r; 57endmodule 58

要理解这段代码，首先要弄明白几个点。

我们通常写的十进制的乘法竖式，同样适用于二进制。下面我们就以这个算式为例：1011 x 0111 =0100_1101。
两个16位的数相乘，结果是32位的，没有32位要在高位补零。
计算两个16位的数相乘需要移位15次。
例如：

1 1 0 1 1 2 x        0 1 1 1 3------------------------------------ 4 1 0 1 1 5 1 0 1 1 6 1 0 1 1 7 0 0 0 0 8------------------------------------ 9 1 0 0 1 1 0 1

前三次计算是移位的，最后一次没有移位

两个16位的数相加，结果是17位的，不够17位最高位补零。
例如语句yout[30:15]+breg，结果是17位的。

知道了这些，我们就开始看代码了

1)、接口部分注释写的很清楚，这里就不提了
2)、数据位控制部分

1always @(posedge clk or negedge rst_n) 2if(!rst_n) i <= 5'd0; 3else if(start && i < 5'd17) i <= i+1'b1; 4else if(!start) i <= 5'd0;

当start为1时，芯片读入两个数，此时开始计数，计数16次，乘法运算开始

3)、乘法运算完成标志信号产生

1always @(posedge clk or negedge rst_n) 2if(!rst_n) done_r <= 1'b0; 3else if(i == 5'd16) done_r <= 1'b1; //乘法运算完成标志 4else if(i == 5'd17) done_r <= 1'b0; //标志位撤销 5 6assign done = done_r;

这部分也很好理解

4)、专用寄存器进行移位累加运算

这里为了简单，就用15到18位代替15到30位

以上部分是最主要的计算部分，其他地方相对来说还比较简单，例如当乘数某一位为0时，不用累加，直接右移，当i计数到16时，此时就不用再移位了，可以直接用位数表示，直接累加即可。

下面是仿真图