数字集成电路设计（六、Verilog HDL高级程序设计举例）

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1. 数字电路系统设计的层次化描述方式

• 在我们的数电，集成电路设计里面，一定是层次化设计的
• 在一个手机芯片的一个部分，写的硬件描述语言的层次都能达到20几层，对于这样的设计，我i们就能想到采用底层的设计，中间层的设计和顶层的设计。对于小规模电路，极小规模电路，通常想的是先有模块然后去搭一个电路，这样的就叫Bottom-Up的设计

1.1 Bottom-Up 设计方法

• Bottom-Up 设计方法是一种传统的设计方法，它要求电路设计者将系统进行模块划分,从底层模块设计开始，运用各底层模块搭建一个完整的系统。在这种设计方法中，首先根据系统设计的要求，定义并建立所需要的叶子模块，通过模块连接方式建成较大的模块，然后把这些比较大的模块组合成具有一定功能的模块，最后将这些功能模块组合，直到完成整个系统
  
• ！！这种设计方式存在一些问题：规模做不大。当你做完最简单的模块往上堆，当堆得越来越高的时候你会发现这个时序差一点，那个差一点。这时候要怎么改呢？要从地下往上改，这个工作量非常大，$所以这是不推荐的一种设计方式$
• 举例：串行加法器
  

1.2 Top-Down 设计方法

• ！！现在的大规模，超大规模集成电路设计，一定是从顶层开始设计的，包括功能，面积，时序，功耗等
• 对于下面，会写出空的模块给下面，会告诉每一个模块自己的约束，然后再往下分，一直分到Engineer。
• 能做到最上面得都是行业顶尖
• ！！！！从代码的角度，真正难得是在下面，说的行为级描述啥都是在底层的模块，越往上面越是结构性的描述，都是模块搭，但是这个模块搭建就要求非常严格。所以在我们的设计中一定要做好这方面的准备工作，然后才会有时序，总线一大堆的概念，所以是一个不断学习的过程
• 举例：
  

2. 典型电路设计

2.1 加法器树乘法器

• 加法器树乘法器的设计思想是“移位后加”，并且加法运算采用加法器树的形式。乘法运算的过程是，被乘数与乘数的每一位相乘并且乘以相应的权值，最后将所得的结果相加，便得到了最终的乘法结果。也就是第一位不用移，第二位乘2相当于左移一位，以此类推。
  
• Verilog代码实现上图的4位加法器树乘法器：
  
• 这个电路的速度会非常慢，他的速度决定于加法，这个电路就是二选一的数据选择器拼接在一起，主要的延迟就是来自于加法的延迟

2.1.1 改进为两级流水线4位加法器树乘法器

• 为了提高乘法器的速度，可以穿插流水线的方式，这样就可以把两步的加法变成一步的加法的速度（其实改变的是吞吐率，关于流水线可以看我的数电博客 https://blog.csdn.net/y_u_yu_yu_/article/details/127641915）
• ！！在计算机中，我们现在的普通高精度乘法是64位乘64位，可想而知，我们在它的运算指令单元中加多少级流水线才能达到3.几个G的运算速度。cpu的运算结构，虽然占很大面积，但是并不是很麻烦的一件事情，所有的计算单元基本都是以这种方法来提高它的计算速度
  
• 通过在第一级与第二级、第二级与第三级加法器之间插入 D触发器组，可以实现两级流水线设计，其VerilogHDL代码如下：
  
• ！！在时钟上升沿用了一个非阻塞型赋值，就可以得到流水线的操作（当我们讲阻塞赋值和非阻塞赋值在时序电路中就是流水线的事情）

2.2 Wallace 树乘法器

• ！！在电路设计中，最可怕的不是之前的单元，而是加法。在4位乘法，我们对于一个传统的加乘的观念，要进行六级以上，使得延迟会变得非常大。Wallace通过3级就能实现4x4这样结构的乘法
• 其基本原理是加法从数据最密集的地方开始，不断地反复使用全加器、半加器来覆盖“树”。这一级全加器是一个3输入2输出的器件，因此全加器又称为3-2压缩器。通过全加器将树的深度不断缩减，最终缩减为一个深度为 2 的树。最后一级则采用一个简单的 2 输入加法器组成。
  
• 形成的电路结构如下图，运用了全加器和半加器（FA 为全加器，HA 为半加器）
  
• Verilog代码：
  
• 测试代码：
  
• 测试结果：
  
• ！！一开始设计可能是有了基本的知识就可以，但是越到后面越考验数学的能力，数学建模和建模后化简成电路的能力

2.3 复数乘法器

• 复数乘法的算法是:设复数 x=a +bi ， yc +di ，则复数乘法结果为
  
• 用了四个乘法和两个加法
  
• ！！！！根据具体的电路要求，我们可以进行优化：如果是高速电路，我们需要在所有的乘法器和加法器打上流水线才算做完；对于低速电路，整个芯片工作能力比如是500Mhz，但是我需要50Mhz，这时候简化成一个乘法器一个加法器就够了，在想让面积减小的时候也可以这么做
• Verilog实现：
  
• 测试结果
  

2.4 FIR滤波器的设计

• 滤波器就是对特定的频率或者特定频率以外的频率进行消除的电路，被广泛用于通信系统和信号处理系统中。从功能角度而言，数字滤波器对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到滤除频带外信号的目的。
• ！！这个电路非常重要，所有的信号处理，所以的移动终端上，都有大量的FIR。这个东西的特点是面积特别大，电路特别简单
• 有限冲激响应(FIR)滤波器就是一种常用的数字滤波器，采用对已输入样值的加权和来形成它的输出。其系统函数为
  
• 其中z^-1表示延迟一个时钟周期，z^-2表示延迟两个时钟周期
• 对于输入序列X[n]的FIR 滤波器，可用图6.2-10 所示的结构示意图来表示，其中X[n]是输入数据流。各级的输入连接和输出连接被称为抽头，系数(b₀，b₁，……，b_n）被称为抽头系数。一个M 阶的FIR 滤波器将会有 M+1个抽头。通过移位寄存器用每个时钟边沿 n(时间下标)处的数据流采样值乘以抽头系数，并将它们加起来形成输出 Y[n]。
  
• ！！在Altera，Xilinx等的所有工具中间都有滤波器工具，可以通过给定的长度和要求，可以自动生成滤波器的系数。在设计滤波器的时候，首先应该大概画一个曲线的样子，然后用这些工具生成系数，然后在仿真看系统有没有影响，然后定点化，然后再看有没有影响，然后放到电路设计里面
• ！！！！IIR滤波器在信号中会产生振荡，产生自激的现象。FIR在信号中只有零点没有极点，而IIR滤波器由于反馈会有极点产生，极点对于电路代表的是不稳定，IIR滤波器很吸引人，因为几阶就能达到FIR几十阶的效果，但是我们牺牲了反馈型滤波器而用横向滤波器
• MATLAB也嵌入了设计工具，给抽头长度，给要求，就会生成浮点的和定点的抽头系数，还可以直接生成Verilog代码
• ！！在这个电路中，对电路产生延迟最大的是加法器，乘法器只是两个数相乘然后输出就行了，不会引起太多延迟。当抽头变多的时候，我们会增加加法器的数量

2.5 存储器的设计

• 存储器发生了巨大的变革，全世界最好的工艺都在做存储器，得存储器，得数字电路天下，存储器做的越好，数字集成电路越好。从工艺角度上，存储器单元都是一样的，这时候对高精度的线是非常有利的，检查良品率，只要一致性好，没有问题；打开cpu来看，存储器的面积占了一大半

2.6 FIFO的设计

• 实操可以看我FPGA的博客 https://blog.csdn.net/y_u_yu_yu_/article/details/127157227