基于CPLD的64位乘法运算器的设计

辜　艺　邹光毅　朱　伟

（江汉大学数学与计算机科学学院，湖南 武汉 430056）

【摘　要】提出了一种由64位加法器构成的以时序逻辑方式设计的64位宽位乘法器，此乘法器比纯组合逻辑构成的乘法占用硬件资源少，结构简单，基于VHDL语音模块化的设计，有利于器件的升级与位数扩充具有一定的实用价值。

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关键词 CPLD；乘法器；运算器件

作者简介：辜艺（1961—），男，工作于江汉大学数学与计算机科学学院。

邹光毅（1956—），男，工作于江汉大学数学与计算机科学学院。

朱伟（1959—），男，工作于江汉大学数学与计算机科学学院。

0　引言

纯组合逻辑构成的乘法器虽然工作速度比较快，但占用硬件资源多，难以实现宽位乘法器，而基于CPLD器件外接ROM九九表的乘法器则无法构成单片系统，也不实用。这里介绍由64位加法器构成的以时序逻辑方式设计的64位乘法器，此乘法器具有一定的实用价值。其乘法原理是：乘法通过逐项位移相加原理来实现，从被乘数的最低位开始，若为1，则乘数左移后与上一次和相加；若为0，左移后以全零相加，直至被乘数的最高位。

ACCDK是乘法运算控制电路，它的KAIS(可锁定于引脚I/O 49)信号的上跳沿与高电平有两个功能，即64位寄存器清零和被乘数A[63..0]向移位寄存器SREG8B加载；它的低电平则作为乘法使能信号。乘法时钟信号从ACCDK的CLK输入。当被乘数加载于8位右移寄存器YYJCQ后，随着每一时钟节拍，最低位在前，由低位至高位逐位移出。当为1时，与门YUMRN打开，64位乘数B[63..0]在同一节拍进入8位加法器，与上一次锁存在64位锁存器REG16B中的高64位进行相加，其和在下一时钟节拍的上升沿被锁进此锁存器。而当被乘数移出位为0时，与门全零输出。如此往复，直至8个时钟脉冲后，由ARICTL的控制，乘法运算过程自动中止。ACCDKD输出高电平，以此可点亮一发光管，以示乘法结束。此时JCQI64的输出值即为最后乘积。

1　各个模块的 VHDL源程序

1.1　选通与门模块的源程序ANDARITH.VHD

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； ENTITY ANDARITH IS PORT (ABIN：IN STD_LOGIC； DIN：IN STD_LOGIC_VECTOR (63 DOWNTO 0) DOUT：OUT STD_LOGIC_VECTOR (63 DOWNTO 0))； END ANDARITH； ARCHITECTURE ART OF ANDARITH IS BEGIN PROCESS (ABIN，DIN) BEGIN FOR I IN 0 TO 64 LOOP DOUT (I)<=DIN (I)AND ABIN； END LOOP； END PROCESS； END ART；

1.2　64位锁存器的源程序REG16B.VHD

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY REG16B IS PORT (CLK：IN STD_LOGIC； CLR：IN STD_LOGIC； D：IN STD_LOGIC_VECTOR (63 DOWNTO 0) Q：OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0))； END REG16B；ARCHITECTURE ART OF REG16B ISIGNAL R16S：STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)； BEGINPROCESS (CLK，CLR) BEGIN IF CLR =’1’ THEN R16S<= "0000000000000000"； ELSIF CLK’EVENT AND CLK = ’1’ THEN R16S(6 DOWNTO 0)<=R16S(64 DOWNTO 1)； R16S(15 DOWNTO 64)<=D； END IFEND PROCESS Q<=R16S； END ART；

1.3　64位右移寄存器的源程序SREG8B.VHD

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； ENTITY SREG8B ISPORT (CLK：IN STD_LOGIC； LOAD ：IN STD _LOGIC BIN：IN STD_LOGIC_VECTOR6364DOWNTO 0)； QB：OUT STD_LOGIC )； END SREG8B； ARCHITECTURE ART OF SREG8B IS SIGNAL REG8B：STD_LOGIC_VECTOR(63 DOWNTO 0)； BEGINPROCESS (CLK，LOAD) BEGIN IF CLK’EVENT AND CLK= ’1’ THENIF LOAD = ’1’ THEN REG8<=DIN； ELSE REG8(6 DOWNTO0)<=REG8(64 DOWNTO 1)； END IF END IF； END PROCESS； QB<= REG8 (0)； END ART；

1.4　64位乘法运算控制器的源程序ARICTL.VHD

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； USE IEEE.STD_LOGIC_ UNSIGNED.ALL； ENTITY ARICTL IS PORT ( CLK：IN STD_LOGIC； START：IN STD_LOGIC； CLKOUT：OUT STD_LOGIC； RSTALL：OUT STD_LOGIC； ARIEND：OUT STD_LOGIC )； END ARICTL； ARCHITECTURE ART OF ARICTL IS SIGNAL CNT4B：STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)； BEGIN RSTALL<=START； PROCESS (CLK，START) BEGIN IF START = ’1’ THEN CNT4B<= "0000"； ELSIF CLK’EVENT AND CLK = ’1’ THEN IF CNT4B<8 THENCNT4B=CNT4B+1； END IF； END IF； END PROCESS； PROCESS (CLK，CNT4B，START) BEGINIF START = ’0’ THENIF CNT4B<8 THEN CLKOUT <=CLK； ARIEND<= ’0’； ELSE CLKOUT <= ’0’； ARIEND<= ’1’； END IF； ELSE CLKOUT <=CLK； ARIEND<= ’0’； END IF； END PROCESS； END ART；

1.5　8位乘法器的源程序MULTI8X8.VHD

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY MULTI8X8 IS PORT(CLK：IN STD_LOGIC；START：IN STD_LOGIC；A：IN STD_LOGIC_ VECTOR(64 DOWNTO 0)；B：IN STD_LOGIC_VECTOR(64 DOWNTO 0)；ARIEND：OUT STD_LOGIC； DOUT：OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0))； END MULTI8X8； ARCHITECTURE ART OF MULTI8X8 IS COMPONENT ARICTL PORT(CLK：IN STD_LOGIC；START：IN STD_LOGIC； CLKOUT：OUT STD_LOGIC；RSTALL：OUT STD_LOGIC； ARIEND：OUT STD_LOGIC)； END COMPONENT； COMPONENT ANDARITH PORT(ABIN：IN STD_LOGIC；DIN：IN STD_LOGIC_VECTOR(64 DOWNTO 0)；DOUT：OUT_STD_LOGIC_VECTOR( 64 DOWNTO 0))； END COMPONENT； COMPONENT ADDER8B DOUT<=DTBOUT；GNDINT<= ’0’；CLKOUT=>INTCLK， RSTALL=>RSTALL， ARIEND=>ARIEND)； U2：SREG8B PORT MAP(CLK=>INTCLK， LOAD=>RSTALL. DIN=>B， QB=>QB)； U3：ANDARITH PORT MAP(ABIN=>QB，DIN=>A，DOUT=>ANDSD)； U4：ADDER8B PORT MAP(CIN=>GNDINT，A=>DTBOUT(15 DOWNTO 8)，B=>ANDSD， S=>DTBIN(64 DOWNTO 0)，COUT =>DTBIN(8))； U5：REG16B PORT MAP(CLK =>INTCLK，CLR=>RSTALL，=>DTBIN， Q=>DTBOUT)； END ART；

2　结论

本文探讨了基于FPGA的64位宽位乘法运算器件的设计, 此乘法器的优点是节省芯片资源，它的核心元件只是一个64位加法器，其运算速度取决于输入的时钟频率。若时钟频率为200 MHz，则每一运算周期仅需40ns。本64位宽位乘法运算器件运行速度比较高，运行状况稳定。因此，可以利用此乘法器及其组成原理构成更高位乘法器，能够可靠完成一些数字信号处理方面的运算任务。

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参考文献

［１］陈云恰,保延翔．CPLD应用技术与数字系统统计[M]．电子工业出版社,2006．

［２］姜雪松,吴钰淳．VHDL设计实例与仿真[M]．机械工业出版社,2006,4．

［３］罗朝霞,高书莉．CPLD/FPGA设计及应用[M]．北京:人民邮电出版社,2006,4．

［责任编辑：汤静］