一文彻底搞懂流水线加法器

目录

1.流水线加法器应用场景

2.流水线加法器本质原理（与普通加法器区别）

3.流水线加法器实现

4.流水线加法器代码Verilog代码实现

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1.流水线加法器应用场景

首先最重要的是明白我们流水线加法器是什么，我们其实对于流水线其实并不陌生，我们常常可以听到说工厂中存在流水线，他是一种工业上的生产方式，应用场景是生产众多产品的时候，采用流水线方式可以大大提高生产速度。那么我们的流水线加法器也是一样，是应用于多组数据相加，以提高整体计算速度，不让加法器闲置。比如我们计算如下一组数据：

第一组G1

a1 0011_1100 b1 1100_0011

第二组G2

a2 0100_1100 b2 1110_0011

第三组G3

a3 1010_1010 b3 1111_1100

如果仅仅是一组数据相加，那么流水线加法器和普通加法器比起没有什么优势，流水线加法器的优势体现在大量数据相加。

2.流水线加法器本质原理（与普通加法器区别）

为了方便理解，我们后面采用这上述一组包含3组数据的集合来讲解。上述数据如果我们用普通加法器，分成高四位和低四位分别计算，也就是用两个四位加法器。假设高四位和低四位计算分布都各自需要一个周期T，那么我们计算第一组数据需要2T秒（高四位结果需要等低四位的进位结果出来后才能计算得到，第四位耗费T,T秒后高四位开始计算，最后又消耗T，总消耗2T秒）第一组数据计算完毕以后，我们才可以计算第二组数据，同上又一次耗时2T，第三组数据同上2T，总耗时6T秒。

普通加法器时间序列（1）如下：图对于理解非常重要 

观察上图我们发现，在我们计算高4位的时侯，低4位加法器是空着不工作的，计算高4位的是，低4位加法器是空着不工作的，这其实会浪费很多费时间。我们想到让高4位和低4位的加法器一直工作。这样可以节省时间，更快地得到所有结果。

所以想到采用如下流水线加法器时间序列（2）：

 

这时候我们发现每隔Ts后，都会有一组值计算完毕，这样使得总时间压缩到4T秒完成，这仅仅是两级流水，如果更多级可以更明显感受到时间的缩短。

总之就一句话，每一个加法器你都不能给我闲着！！都给我work！work！work！

3.流水线加法器实现

但是理想很丰满，现实很骨感，实际实现起来发现还是不容易的。对于普通加法器级联模式如下

 

如果采用上述序列（1）的普通加法器模式，我们可以直接利用上面加法器，把第一组数据同时输入到低四位和高四位加法器中，这时候低四位先计算完，它输出整体的低四位，它的输入值在T秒到2T秒不会改变，因而它可以等高四位计算完毕，2T秒的时候，高四位计算完毕，此时低四位和高四位综合得到的是G1组的低四位和高四位组合，也就是G1计算的最终整体值（低四位是在T秒时算出的，高四位是在2T秒算出的）

而如果采用流水线加法器序列（2），就得改装了，因为在T-2T秒的时候，低四位加法器的输入值会改变，观察上面流水线加法器时间序列（2）图，可以发现低四位加法器计算的是G2组的低四位，如果这时候还直接输出，则会在2T秒的时候接收到G2组的低四位，G1组的高四位组合值，这是错误的，我们期望得到G1组的高四位和第四位的组合值，所以在T秒G1组的低四位计算出来后，先存在寄存器中一个周期，在2T秒的时候释放出来，也就是我们的输出同步。改装如下

 

0-T秒 低四位加法器进行G1组的低四位计算，T秒时把结果存在寄存器一中

T-2T秒 低四位加法器进行G2组的低四位加法器，2T秒时寄存器一结果输出（为G1组低四位），再把G2组第四位结果存入寄存器一

2T-3T秒 低四位加法器进行G3组的低四位加法器，3T秒时寄存器一结果输出（为G1组低四位），再把G3组第四位结果存入寄存器一

再次观察上述流水线加法器时间序列（2）我们发现T秒的时候才把第一组的高位传入高位加法器计算。因而我们需要在高四位的输入加寄存器，使得高四位在寄存器存一个周期再进入高四位加法器计算。也就是我们同时要保证输入同步

 

0-T秒 0秒时把G1组高四位输入到寄存器二三，T秒时输入高四位加法器运算

T-2T秒 T秒时把G2组高四位输入到寄存器二三，2T秒时输入高四位加法器运算，2T秒时G1组高四位计算完毕输出。

2T-3T秒 2T秒时把G3组高四位输入到寄存器二三，3T秒时输入高四位加法器运算，3T秒时G2组高四位计算完毕输出。

3T-4T秒 4T秒时G3组高四位计算完毕输出。

综上，我们发现对于流水线加法器最重要的是输入输出同步，只有这样，某一个时刻（如T秒），我们输出的才是某一组数据的低四位和高四位和的组合，而不是交叉混乱的，这就是我们需要引入寄存器存放的原因。

4.流水线加法器代码Verilog代码实现