基于EDA技术的加法器设计.docx
- 文档编号:22863484
- 上传时间:2023-04-28
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:887.10KB
基于EDA技术的加法器设计.docx
《基于EDA技术的加法器设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于EDA技术的加法器设计.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于EDA技术的加法器设计
黑龙江东方学院
毕业论文(设计)
题目:
基于EDA技术的加法器设计
学生姓名
学号
09103225
专业
电子信息工程
班级
2009级2班
指导教师
学部
计算机科学与电气工程
答辩日期
2013年5月18日
黑龙江东方学院本科生毕业论文(设计)评语
(一)
姓名
学号
09103225
专业
班级
电子信息工程2班
总
成绩
毕业论文(设计)题目:
基于EDA技术的加法器设计
答
辩
委
员
会
评
语
答辩成绩
主任签字:
年月日
答辩委员会成员签字
学部毕业论文(设计)领导小组意见
组长签字:
年月日学部公章
黑龙江东方学院本科生毕业论文(设计)评语
(二)
姓名
学号
09103225
专业班级
电子信息工程2班
毕业论文(设计)题目:
基于EDA技术的加法器设计
指
导
教
师
评
语
指导教师成绩
在整个毕业论文设计过程中,该同学能在老师的要求下顺利完成毕业设计和论文的撰写工作。
论文结构完整,各部分符合论文的写作规范,论述比较充分,条理也很清晰。
该生查阅大量文献资料,全面收集相关材料。
已能熟练使用EDA软件,并完成了加法器的设计、编程和仿真过程,仿真结果符合论文的要求。
完成了任务书中所要求全部内容,编程调试能力有了较大程度提高。
本论文达到了本科毕业生的基本要求,同意参加答辩。
指导教师签字:
年月日
黑龙江东方学院本科生毕业论文(设计)评语(三)
姓名
学号
09103225
专业班级
电子信息工程2班
毕业论文(设计)题目:
基于EDA技术的加法器设计
评
阅
教
师
评
语
评阅教师成绩
评阅教师签字:
年月日
黑龙江东方学院本科生毕业论文(设计)任务书
姓名
学号
09103225
专业班级
电子信息工程09级2班
毕业论文(设计)题目:
基于EDA技术的加法器
毕业论文(设计)的立题依据
加法器在科技迅猛发展的今天在人们日常生活中起到有为重要的角色,它涉及到
许多集成电路,应用在很多计算机和设备当中,不可或缺。
本次毕业设计确立乘法器为论
文立题可以进一步掌握EDA技术,更好的研究EDA的功能和实际作用,具有很大的现实意义。
主要内容及要求
本毕业设计的主要内容是对EDA平台进行了简要概述,对加法器的研究背景简单的进行介绍。
随后进行加法器设计,描述了设计的基本方法,讲解了加法器的工作原理。
介绍了加法器的种类,每个种类的特质,并通过原理图进行原理只管直观讲解。
在一定的理论和资料基础上进行了仿真和调试,通过波形体现实验结果。
最后对仿真和调试过程中遇到的问题进行总结和分析。
总结心得体会,编写了实验结论。
罗列出文章中借鉴的参考文献。
在论文最后提供出程序和对在毕业设计中给与我帮助的人致以深深的谢意。
了解EDA基本知识,学习相关应用软件,进行课题设计。
在静态数码管显示加数、被加数和结果。
用拨码开关设置和被加数。
进度安排
9月20日
选题
9月21日~10月31日
接受指导老师的指导
11月1日~11月17日
拟定论文大纲
11月18日~12月20日
搜集、查阅、整理相关资料
12月21日~3月31日
初稿形成
4月1日~4月7日
初稿审定
4月8日~4月14日
第一次修改
4月15日~4月21日
第一次审定
4月22日~4月28日
第二次修改
4月29日~5月12日
定稿
5月13日~5月17日
论文评阅小组评审论文(设计)
5月18日
毕业论文(设计)答辩
学生签字:
指导教师签字:
年月日
基于EDA技术的加法器设计
摘 要
随着电子技术和计算机技术的飞速发展,电子线路的设计工作也日益显得重要。
经过人工设计、制作实验板、调试再修改的多次循环才定型的传统产品设计方法必然被计算机辅助设计所取代,因为这种费时费力又费资源的设计调试方法既增加了产品开发的成本,又受到实验工作场地及仪器设备的限制。
20世纪90年代,国际上电子和计算机技术较先进的国家,一直在积极探索新的电子电路设计方法,并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革,取得了巨大成功。
在电子技术设计领域,可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用,已得到广泛的普及,这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。
这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。
这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念,促进了EDA技术的迅速发展。
利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。
包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。
目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。
例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟,都可能涉及到EDA技术。
关键词:
EDA技术;PCB;计算机;电路设计
AdderdesignbasedonEDAtechnology
Abstract
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnologyandcomputertechnology,electroniccircuitdesignworkisincreasinglymoreimportant.Artificialdesign,productionexperimentboard,debugandmodifythetraditionalapproachtoproductdesigncyclemanytimesbeforestereotypesmustbecomputer-aideddesignreplaced,becausethistime-consumingandexpensiveresourcesdesigndebuggingmethodnotonlyincreasingthecostofproductdevelopment,Alsosubjecttotherestrictionsofthetheexperimentalworkplaceandequipment.
Inthe1990s,theinternationalelectronicsandcomputertechnologymoreadvancedcountries,hasbeenactivelyexplorenewelectroniccircuitdesign,anddesignmethods,toolsandotherradicalchanges,andwasagreatsuccess.Inthefieldofelectronictechnologydesign,theapplicationofprogrammablelogicdevices(suchasCPLD,FPGA),hasbeenwidelypopular,thesedeviceshavebroughtagreatdealofflexibilityforthedesignofdigitalsystems.Thesedevicescanbeprogrammedbysoftwareanditshardwarestructureandwaysofworkingtoreconstruct,sothatthedesignofthehardwareasconvenientassoftwaredesign.Allthishasgreatlychangedthetraditionaldigitalsystemdesignmethods,thedesignprocessanddesignconcepts,andpromotetherapiddevelopmentofEDAtechnology.
EDAtools,electronicsdesignerscanstartdesigningconcepts,algorithms,protocolsandotherelectronicsystems,alotofworkcanbedonebycomputerandelectronicproductstoIClayoutdesignorPCBlayoutofthewholeprocessfromthecircuitdesign,performanceanalysisprocessingiscompletedautomaticallyonyourcomputer.
EDAconceptorscopeisverywide.Includingmachinery,electronics,communications,aerospace,chemical,mineral,biological,medical,militaryandotherfields,thereisEDAapplications.EDAtechnologyinmajorcompanies,enterprisesandscientificresearchandteachingdepartmentswidelyused.Forexample,intheaircraftmanufacturingprocess,fromdesign,performancetestingandcharacterizationanalysisuntiltheflightsimulation,maybeinvolvedintheEDAtechnology.
Keywords:
EDAtechnology;PCB;computer;CircuitDesign
小提示:
当需要从网站或者文档复制到本文档时,先将文字复制到文本文档,然后再从文本文档复制到本文档的相应位置,这样就能够保证格式是正确的!
此行不会被打印
千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。
(在word菜单-工具-选项-视图标签中,格式标记部分请全部打对号,这样就可以看到隐藏的分节符和空格等信息了)
目 录
千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。
在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”
基于EDA技术的加法器设计
第1章绪 论
1.1EDA软件发展
在电子设计自动化(英语:
Electronicdesignautomation,缩写:
EDA)出现之前,设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作,这是因为当时所谓集成电路的复杂程度远不及现在。
工业界开始使用几何学方法来制造用于电路光绘(photoplotter)的胶带。
到了1970年代中期,开发人应尝试将整个设计过程自动化,而不仅仅满足于自动完成掩膜草图。
第一个电路布线、布局工具研发成功。
设计自动化会议(DesignAutomationConference)在这一时期被创立,旨在促进电子设计自动化的发展。
电子设计自动化发展的下一个重要阶段以卡弗尔•米德(CarverMead)和琳•康维于1980年发表的论文《超大规模集成电路系统导论》(IntroductiontoVLSISystems)为标志。
这一篇具有重大意义的论文提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想。
如果这一想法得到实现,芯片设计的复杂程度可以得到显著提升。
这主要得益于用来进行集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的性能得到相当的改善。
随着计算机仿真技术的发展,设计项目可以在构建实际硬件电路之前进行仿真,芯片布线布局对人工设计的要求降低,而且软件错误率不断降低。
直至今日,尽管所用的语言和工具仍然不断在发展,但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为,利用工具软件综合得到低抽象级物理设计的这种途径,仍然是数字集成电路设计的基础。
从1981年开始,电子设计自动化逐渐开始商业化。
1984年的设计自动化会议(DesignAutomationConference)上还举办了第一个以电子设计自动化为主题的销售展览。
Gateway设计自动化在1986年推出了一种硬件描述语言Verilog,这种语言在现在是最流行的高级抽象设计语言。
1987年,在美国国防部的资助下,另一种硬件描述语言VHDL被创造出来。
现代的电子设计自动化设计工具可以识别、读取不同类型的硬件描述。
根据这些语言规范产生的各种仿真系统迅速被推出,使得设计人员可对设计的芯片进行直接仿真。
后来,技术的发展更侧重于逻辑综合。
目前的数字集成电路的设计都比较模块化(参见集成电路设计、设计收敛(Designclosure)和设计流(Designflow(EDA))。
半导体器件制造工艺需要标准化的设计描述,高抽象级的描述将被编译为信息单元(cell)的形式。
设计人员在进行逻辑设计时尚无需考虑信息单元的具体硬件工艺。
利用特定的集成电路制造工艺来实现硬件电路,信息单元就会实施预定义的逻辑或其他电子功能。
半导体硬件厂商大多会为它们制造的元件提供“元件库”,并提供相应的标准化仿真模型。
相比数字的电子设计自动化工具,模拟系统的电子设计自动化工具大多并非模块化的,这是因为模拟电路的功能更加复杂,而且不同部分的相互影响较强,而且作用规律复杂,电子元件大多没有那么理想。
VerilogAMS就是一种用于模拟电子设计的硬件描述语言。
此文,设计人员可以使用硬件验证语言来完成项目的验证工作目前最新的发展趋势是将集描述语言、验证语言集成为一体,典型的例子有SystemVerilog。
随着集成电路规模的扩大、半导体技术的发展,电子设计自动化的重要性急剧增加。
这些工具的使用者包括半导体器件制造中心的硬件技术人员,他们的工作是操作半导体器件制造设备并管理整个工作车间。
一些以设计为主要业务的公司,也会使用电子设计自动化软件来评估制造部门是否能够适应新的设计任务。
电子设计自动化工具还被用来将设计的功能导入到类似现场可编程逻辑门阵列的半定制可编程逻辑器件,或者生产全定制的专用集成电路。
1.1.1EDA技术
EDA技术是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产品的自动设计。
利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
20世纪90年代,国际上电子和计算机技术较为先进的国家,一直在积极探索新的电子电路设计方法,并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革,取得了巨大成功。
在电子技术设计领域,可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用,已得到广泛的普及,这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。
这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。
这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念,促进了EDA技术的迅速发展。
EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言VHDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
EDA技术的出现,极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度。
EDA技术是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产品的自动设计。
利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。
包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。
目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。
例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟,都可能涉及到EDA技术。
本文所指的EDA技术,主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。
EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。
1.1.2加法器的研究背景
人类社会的发展已经进入了信息时代,各种信息技术构成了信息时代的基础。
目前,与信息相关的计算机、微电子及通讯技术己经成为推动社会进步和国家发展的关键技术,而微电子技术又是信息技术的基础,因此集成电路产业己经成为整个电子信息产业的命脉。
到目前为止我国已经成为世界电子信息产品的主要生产国,对集成电路需求的增长是非常惊人的,而我们国内在这方面的供应能力显示出明显不足。
发展中国的集成电路,成了中国政府产业政策的主导方向。
2000年6月,国务院下发了《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》,引导、鼓励资金、技术和人才等资源投向集成电路产业。
加法器作为各类集成电路模块的核心部件,其重要性不可忽略。
加法运算是最重要最基本的运算,所有的其他基本算术运算,如减法、乘法、除法运算等最终都能归结为加法运算。
当今,加法器的设计面临两大课题,首先是如何降低功耗。
随着便携式IC产品例如MP3播放器,手机和掌上电脑等的广泛使用,要求IC工程师对现有运算模块的性能作进一步改进,尤其是在电路的功耗和尺寸方面。
由于现在相应的电池技术难以和微电子技术的发展速度匹敌,这使得IC设计师遇到了许多限制因素,比如高速,大吞吐量,小尺寸,低功耗等。
因此,这使得研究低功耗高性能加法单元持续升温。
另一方面就是如何提高加法器的运算速度。
因为加法运算存在进位问题,使得某一位计算结果的得出和所有低于它的位相关。
因此,为了减少进位传输所耗的时间,提高计算速度,人们设计了多种类型的加法器,如超前进位加法器(Carry—LookaheadAdders,CLA)、曼彻斯特加法器(ManchesterAdder)、进位旁路加法器(Carry—SkipAdders,CSKA)、进位选择加法器(Carry—SelectAdders,CSLA)等。
它们都是利用各位之间的状态来预先产生高位的进位信号,从而减少进位从低位向高位传递的时间。
1.2加法器
加法器是为了实现加法的。
即是产生数的和的装置。
加数和被加数为输入,和数与进位为输出的装置为半加器。
若加数、被加数与低位的进位数为输入,而和数与进位为输出则为全加器。
常用作计算机算术逻辑部件,执行逻辑操作、移位与指令调用。
对于1位的二进制加法,相关的有五个的量:
1,被加数A,2,被加数B,3,前一位的进位CIN,4,此位二数相加的和S,5,此位二数相加产生的进位COUT。
前三个量为输入量,后两个量为输出量,五个量均为1位。
对于32位的二进制加法,相关的也有五个量:
1,被加数A(32位),2,被加数B(32位),3,前一位的进位CIN(1位),4,此位二数相加的和S(32位),5,此位二数相加产生的进位COUT(1位)。
要实现32位的二进制加法,一种自然的想法就是将1位的二进制加法重复32次(即逐位进位加法器)。
这样做无疑是可行且易行的,但由于每一位的CIN都是由前一位的COUT提供的,所以第2位必须在第1位计算出结果后,才能开始计算;第3位必须在第2位计算出结果后,才能开始计算,等等。
而最后的第32位必须在前31位全部计算出结果后,才能开始计算。
这样的方法,使得实现32位的二进制加法所需的时间是实现1位的二进制加法的时间的32倍。
1.2.1加法器基本方法
可以看出,上法是将32位的加法1位1位串行进行的,要缩短进行的时间,就应设法使上叙进行过程并行化。
逐位进位加法器,在每一位的计算时,都在等待前一位的进位。
那么不妨预先考虑进位输入的所有可能,对于二进制加法来说,就是0与1两种可能,并提前计算出若干位针对这两种可能性的结果。
等到前一位的进位来到时,可以通过一个双路开关选出输出结果。
这就是进位选择加法器的思想。
加法器
提前计算多少位的数据为宜?
同为32位的情况:
线形进位选择加法器,方法是分N级,每级计算32/N位;平方根进位选择加法器,考虑到使两个路径(1,提前计算出若干位针对这两种可能性的结果的路径,2,上一位的进位通过前面的结构的路径)的延时达到相等或是近似。
方法,或是2345666即第一级相加2位,第二级3位,第三级4位,第四级5位,第五级6位,第六级6位,第七级6位;或是345677即第一级相加3位,第二级4位,第三级5位,第四级6位,第五级7位,第六级7位。
进一步分析加法进行的机制,可以使加法器的结构进一步并行化。
令G=AB,P=A⊕B,则COUT(G,P)=G+PCIN,S(G,P)=P⊕CIN。
由此,A,B,CIN,S,COUT五者的关系,变为了G,P,CIN,S,COUT五者的关系。
再定义点运算(•),(G,P)•(G’,P’)=(G+PG’,PP’),可以分解(G3:
2,P3:
2)=(G3,P3)•(G2,P2)。
点运算服从结合律,但不符合交换律。
点运算只与G,P有关而与CIN无关,也就是可以通过只对前面若干位G,P进行点运算计算,就能得到第N位的GN:
M,PN:
M值,当取M为0时,获得的GN:
0,PN:
0即可与初使的CIN一起代入COUT(G,P)=G+PCIN,S(G,P)=P⊕CIN,得到此位的COUT,S;而每一位的G,P值又只与该位的A,B值即输入值有关,所以在开始进行运算后,就能并行的得到每一位的G,P值。
以上分析产生了超前进位加法器的思想:
三步运算,1,由输入的A,B算出每一位的G,P;2,由各位的G,P算出每一位的GN:
0,PN:
0;3,由每一位的GN:
0,PN:
0与CIN算出每一位的COUT,S。
其中第1,3步显然是可以并行处理的,计算的主要复杂度集中在了第2步。
第2步的并行化,也就是实现GN:
0,PN:
0的点运算分解的并行化。
图1-1加法器连接图
1.2.2加法器工作原理
加法器是数字系统中的基本逻辑器件,例如为了节省逻辑资源减法器和硬件乘法器都可由加法器来构成。
宽位的加法器的设计是十分耗费硬件资源的,因此在实际的设计和相关系统的开发中需要注意资源的利用率和进位速度两方面的问题。
多位加法器的构成有两种方式:
并行进位和串行进位方式。
并行进位加法器设有并行进位产生,逻辑运算速度较快;串行进位方式是将全加器级联构成多位加法器并行进位。
实验表明,4位二进制并行加法器和串行级联加法器占用几乎相同的资源。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 EDA 技术 加法器 设计