经典电路系列——超前进位加法器

`timescale 1ns / 1ps

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// 超前进位加法器，并行加法计算

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module add_ahead(a,b,sum,cin,cout);

 input [3:0] a,b;   //4位加法

 input cin;

 output [3:0] sum;

 output cout;

 wire c1,c2,c3; //各级进位输出

 wire [3:0] g,p;

 

 assign g=a&b;

 assign p=a|b;

 assign sum=g^p^{c3,c2,c1,cin};

 assign {cout,c3,c2,c1}=g|(p&{c3,c2,c1,cin});

 endmodule

简要原理(转载)：

串行进位加法器需要一级一级的进位，进位延迟很大。先行进位加法器（也叫超前进位加法器）可以有效的减少进位延迟。

设二进制加法器的第i位输入为Xi, Yi, 输出为Si, 进位输入为Ci，进位输出为Ci+1

则有

       Si = Xi+Yi+Ci

       Ci+1  = Xi·Yi + Xi·Ci + Yi·Ci = Xi·Yi + (Xi + Yi)·Ci

令Gi = Xi·Yi,     Pi = Xi+Yi

则Ci+1  = Gi + Pi·Ci

当Xi和Yi都为1时，Gi = 1，产生进位Ci+1 = 1

当Xi和Yi有一个为1时，Pi = 1，传递进位Ci+1 = Ci

    因此Gi 定义为进位产生信号，Pi定义为进位传递信号。Gi的优先级比Pi高，也就是说：当Gi = 1时（当然此时也有 Pi = 1 ），无条件产生进位，而不管Ci是多少;

当Gi=0而Pi=1时，进位输出为Ci, 跟Ci之前的逻辑有关。

    下面推导4位超前进位加法器。设4位加数和被加数为A 和 B，进位输入为Cin, 进位输出为Cout, 对于第i位的进位产生Gi = Ai·Bi , 进位传递 Pi=Ai+Bi , i=0,1,2,3

于是这各级进位输出，递归的展开Ci ，有：

C0 = Cin

C1=G0 + P0·C0

C2=G1 + P1·C1 = G1 + P1·（G0 + P0·C0）=G1 + P1·G0 + P1·P0·C0

C3=G2 + P2·C2 = G2 + P2·G1 + P2·P1·G0 + P2·P1·P0·C0

C4=G3 + P3·C3 = G3 + P3·G2 + P3·P2·G1 + P3·P2·P1·G0 + P3·P2·P1·P0·C0

Cout=C4

    由此可以看出，各级的进位彼此独立产生，只与输入数据和Cin有关，将各级间的进位级联传播给去掉了，因此减小了进位产生的延迟。

    每个等式与只有三级延迟的电路对应，第一级延迟对应进位产生信号和进位传递信号，后两级延迟对应上面的积之和。

同时由真值表可以简单的得出第i位的和为：

Si = Xi+Yi+Ci = (Xi·Yi)+(Xi+Yi)+Ci = Gi+Pi+Ci