基于CPLD的簡易串行數(shù)字乘法器

茹勝華， 馬 亮， 周麗君

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

在現(xiàn)代可編程邏輯電路的設(shè)計(jì)中，通常采用具有乘法器單元的FPGA 完成高速、復(fù)雜的信號處理算法［1］，以較高的成本解決數(shù)字信號處理中大量乘法運(yùn)算。但在對乘法運(yùn)算和時(shí)序邏輯有需求但不高的場合，若采用FPGA 設(shè)計(jì)乘法器，浪費(fèi)資源，增加產(chǎn)品成本，且難于技術(shù)加密。針對這種情況，本文采用無乘法器資源的CPLD 完成16位無符號數(shù)字乘法器的設(shè)計(jì)，它以串行、移位方式進(jìn)行數(shù)據(jù)相乘運(yùn)算，特別適合串行通訊。該乘法器運(yùn)算步驟少，算法簡單，占資源少，可封裝為經(jīng)典模塊，供重復(fù)使用。

1 算法推理

無符號數(shù)字串行乘法可以從6位二進(jìn)制乘法展開推導(dǎo)，歸納總結(jié)出n位的二進(jìn)制乘法。

設(shè)有兩個(gè)6位二進(jìn)制A 和B，分別為

那么，A 與B的乘積X 可以表示

X ＝A×B ＝x11×211+x10×210+x9×29+x8×28+x7×27+x6×26+x5×25+x4×24+x3×23+x2×22+x1×21+x0×20

其中：

c1～c10為乘積X 的第1位數(shù)（x1）～第10位數(shù)（x10）的進(jìn)位，從x0～x11的表達(dá)式可以總結(jié)出第k位數(shù)的通式xk。

式中：i+j＝k，i是乘數(shù)A 的下標(biāo)，j是乘數(shù)B 的下標(biāo)，k是乘積X 的下標(biāo)；0≤i ≤k，0≤j ≤k；0≤i≤n-1，0≤j ≤n-1；0≤k ≤11，即k ≤2n-1，n是乘數(shù)和被乘數(shù)的位數(shù)，式中n＝6；

從6位的乘法的計(jì)算公式，可以歸納、總結(jié)出兩個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的乘法。假定：兩個(gè)n 位二進(jìn)制數(shù)分別為A（an-1an-2……a2a1a0）和B（bn-1bn-2……b2b1b0），那 么，它 們 的 乘 積X（x2n-1x2n-2x2n-3……x2x1x0）可表示為

式（4）為兩個(gè)n 位無符號串行二進(jìn)制數(shù)乘法的逐位運(yùn)算規(guī)則，xk是乘積X 第k 位數(shù)的運(yùn)算通式。

2 算法設(shè)計(jì)

依據(jù)式（4），可以將兩個(gè)n 位乘法計(jì)算分為n次完成，每次計(jì)算均按照xk項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。

圖1 串行二進(jìn)制乘法器算法原理

圖1中，被乘數(shù)與乘數(shù)按照移位時(shí)序送入寄存器，每次移位將對“被乘數(shù)”、“乘數(shù)”和“進(jìn)位”計(jì)算，形成該位“乘積”和“進(jìn)位”。隨著數(shù)據(jù)的串行進(jìn)入，逐位求積，當(dāng)信號結(jié)束時(shí)，完成乘法運(yùn)算。在每一次計(jì)算完成后，對乘數(shù)、被乘數(shù)和進(jìn)位寄存器進(jìn)行清零，準(zhǔn)備下一次的乘法運(yùn)算。

3 基于CPLD 的乘法器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述算法原理，設(shè)計(jì)16位乘法器［2］，如圖2所示。

圖2 16位乘法器電路

圖2 中，寄存器B 的Q0～Q15 的輸出為QB0～QB15，寄存器A 的Q0～Q15 的輸出為QA0～QA15，工作可分為以下幾個(gè)階段。

乘法器工作流程如下：

a）乘數(shù)裝訂，按照時(shí)序首先給寄存器B裝訂乘數(shù)，從寄存器B的QB0～QB15輸出，可以串行裝訂，也可以并行裝訂；

b）被乘數(shù)寄存器A 清零，即QA0～QA15置“0”，本步驟可與乘數(shù)裝訂同時(shí)進(jìn)行；

c）被乘數(shù)輸入，寄存器A 按序逐位輸入16位串行被乘數(shù)；

d）對寄存器A 依次進(jìn)入的數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐位計(jì)算，并最終形成乘積。

在相同的時(shí)鐘周期情況下，該乘法器的最快運(yùn)算周期數(shù)為：乘數(shù)加載周期數(shù)、被乘數(shù)位數(shù)、乘數(shù)位數(shù)的總和，即33個(gè)時(shí)鐘周期。

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖2，運(yùn)用原理圖方法完成乘法器設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證上述算法的有效性，采用Lattice公司的ispLEVER 軟件進(jìn)行時(shí)序仿真［4］，結(jié)果分別如圖3、4所示。

圖3、4中，各信號意義如下：CLEAN 是進(jìn)位寄存器清零信號，“1”有效；CLOCK A 是寄存器A（被乘數(shù)寄存器）的時(shí)鐘，上升沿有效；CLOCK B是寄存器B（乘數(shù)寄存器）的時(shí)鐘，上升沿有效；CLOCK C 是進(jìn)位寄存器的時(shí)鐘，上升沿有效；CMA 是寄存器A 的串并工作方式控制，“0”為串行狀態(tài)，“1”為并行方式；CM B 是寄存器B 的串并工作方式控制，“0”為串行狀態(tài)，“1”為并行方式；DATA A 是寄存器A 的串行輸入數(shù)據(jù)，先低后高；DATA B 是寄存器B 的串行輸入數(shù)據(jù)，先低后高；PDB0～PDB15是寄存器B 的并行輸入數(shù)據(jù)，其中PDB0 為最低位，PDB15 為最高位；DOUT 為乘積輸出，先低后高。

圖3對第一組數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行仿真，寄存器B的并行端口D0～D15 輸入并行數(shù)據(jù)（PDB）為1000010101110001；在寄存器A 的Data A 端口依次輸入串行數(shù)據(jù)為0001111000011101（送數(shù)次序?yàn)橄鹊秃蟾撸?。仿真結(jié)果為32 位數(shù)據(jù)為00001111101100100101101111001101，即為寄存器A、B的乘積，驗(yàn)證了乘法器的有效性。

圖3 第一組16×16位數(shù)乘法器仿真結(jié)果

圖4 第二組16×16位數(shù)乘法器仿真結(jié)果

圖4對第二組數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行仿真，寄存器B輸 入 0001011100100000，寄 存 器 A 輸 入0001111111100000。仿真結(jié)果為32 位數(shù)據(jù)為00000010111000010001110000000000，即為寄存器A、B的乘積，也驗(yàn)證了乘法器的有效性。

仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果后，通過CPLD 的硬件平臺，完成軟件的下載，模塊驗(yàn)證結(jié)果與仿真完全一致。目前，該16位乘法器作為模塊使用，經(jīng)過級連擴(kuò)展成64位串行乘法器，在某產(chǎn)品上穩(wěn)定工作。該乘法器算法的實(shí)現(xiàn)，避免了硬件平臺向FPGA 升級所造成資源和成本的浪費(fèi)。

5 使用資源的估算

采用上述方法設(shè)計(jì)的乘法器所使用的資源與采用的編譯軟件、CPLD 器件類型、編寫代碼（原理圖、VHDL 等）等因素相關(guān)。下面撇開這些干擾因素，對該乘法器使用的資源進(jìn)行理論推算［3］。

從圖1可以看出，該乘法器由與門、全加器和寄存器構(gòu)成。

5.1 兩輸入與門數(shù)量

兩輸入的與門使用的總數(shù)量應(yīng)等于被乘數(shù)或乘數(shù)的位數(shù)，即與門數(shù)＝n；

5.2 三輸入全加器數(shù)量

全加器由本位全加器和進(jìn)位全加器構(gòu)成，進(jìn)位全加器又分為十位全加器、千位全加器、萬位全加器、…、l位全加器，l應(yīng)滿足2l≥n，r1為滿足3r1 ≤n的最大整數(shù)。

……

綜上所述，n 位乘法電路所用全加器的總數(shù)Un為：

5.3 寄存器數(shù)量

寄存器分為進(jìn)位寄存器、乘數(shù)寄存器和被乘數(shù)寄存器三類。進(jìn)位寄存器由2p1≥n 決定，即p1≥log2n。乘數(shù)寄存器和被乘數(shù)寄存器各一個(gè)。

綜合上述，乘法器所用總資源如表1所示。

上述計(jì)算分析表明，該乘法器占用較少的資源。

表1 乘法器所用資源匯總

6 結(jié)束語

本文針對不含有內(nèi)置乘法器的CPLD，對串行乘法器的乘法機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析后，形成算法設(shè)計(jì)和原理圖設(shè)計(jì)，并進(jìn)行時(shí)序仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終驗(yàn)證了串行無符號整數(shù)乘法器設(shè)計(jì)有效。采用該方法設(shè)計(jì)的乘法器占用較少的資源，并具有良好的擴(kuò)展性，能夠擴(kuò)展到任意位數(shù)。在含有內(nèi)置乘法器的FPGA 設(shè)計(jì)中，該設(shè)計(jì)方法可以大大擴(kuò)展乘法器的可用數(shù)量，在實(shí)時(shí)性要求不高的條件下，選擇低容量器件，降低成本，減少硬件資源浪費(fèi)。

上述乘法器通過拓展，可應(yīng)用于其它實(shí)時(shí)性要求不高的場合。比如，增加一個(gè)串行轉(zhuǎn)并行的模塊，就可以實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)的乘法；增加符號位的異或門，可應(yīng)用于有符號的運(yùn)算。另外，通過對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行整數(shù)化近似后，分別進(jìn)行整數(shù)相乘和指數(shù)相加的運(yùn)算，可將本乘法器應(yīng)用于浮點(diǎn)小數(shù)的近似運(yùn)算，以降低成本和資源。

［1］ 王磊磊.基于CZT 的頻率細(xì)化方法的FPGA 實(shí)現(xiàn)［J］.制導(dǎo)與引信，2010，31（1）：29-32.

［2］ 吳靜，李樹榮，等.一種基于RISC 結(jié)構(gòu)單片機(jī)的數(shù)字乘法器的設(shè)計(jì).微電子學(xué)，2004，34（5）：593-594.

［3］ 羅朝杰.數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上冊［M］.北京：人民郵電出版社，1982，（9）：223-224.

［4］ 高路.基于FPGA 的DSP外部總線接口設(shè)計(jì)［J］.制導(dǎo)與引信，2011，32（2）：20-23.