vivado Multipliers

Vivado synthesis从源代码中的乘法运算符推断乘法器宏。这个得到的信号宽度等于两个操作数大小之和。例如，乘以16位信号乘以8比特信号产生24比特的结果。

建议：如果您不打算使用设备的所有最高有效位，AMD建议将操作数的大小减小到所需的最小值，尤其是在实现了“倍增”宏的情况下片上逻辑。

乘法器实现

乘法器宏可以实现在：

•切片逻辑

•DSP块

实施选择是：

•受操作数大小的驱动

•旨在最大限度地提高性能

要强制将乘法器实现为切片逻辑或DSP块，请将USE_DSP属性设置为适当的信号、实体或模块：

•否（切片逻辑）

•是（DSP块）

DSP块实现

当在单个DSP块中实现乘法器时，Vivado合成试图利用这一优势DSP块的流水线能力。Vivado合成最多可提取两级寄存器present：在乘法运算数上，以及在乘法运算之后。当乘法器不适合单个DSP块时，Vivado合成将宏分解为实现它。在这种情况下，Vivado合成使用以下任一项：

•几个DSP块

•涉及DSP块和片逻辑的混合解决方案

使用KEEP属性限制寄存器吸收到DSP块中。例如，如果寄存器存在于乘法器的操作数上，请将KEEP放在寄存器的输出上以防止寄存器被吸收到DSP块中。

Multipliers Coding Examples

Unsigned 16x24-Bit Multiplier Coding Verilog Example

Filename: mult_unsigned.v

// Unsigned 16x24-bit Multiplier

// 1 latency stage on operands

// 3 latency stage after the multiplication

// File: multipliers2.v

//

module mult_unsigned (clk, A, B, RES);

parameter WIDTHA = 16;

parameter WIDTHB = 24;

input clk;

input [WIDTHA-1:0] A;

input [WIDTHB-1:0] B;

output [WIDTHA+WIDTHB-1:0] RES;

reg [WIDTHA-1:0] rA;

reg [WIDTHB-1:0] rB;

reg [WIDTHA+WIDTHB-1:0] M [3:0];

integer i;

always @(posedge clk)

begin

rA <= A;

rB <= B;

M[0] <= rA * rB;

for (i = 0; i < 3; i = i+1)

M[i+1] <= M[i];

end

assign RES = M[3];

endmodule

Unsigned 16x16-Bit Multiplier Coding VHDL Example

Filename: mult_unsigned.vhd

-- Unsigned 16x16-bit Multiplier

-- File: mult_unsigned.vhd

--

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity mult_unsigned is

generic(

WIDTHA : integer := 16;

WIDTHB : integer := 16

);

port(

A : in std_logic_vector(WIDTHA - 1 downto 0);

B : in std_logic_vector(WIDTHB - 1 downto 0);

RES : out std_logic_vector(WIDTHA + WIDTHB - 1 downto 0)

);

end mult_unsigned;

architecture beh of mult_unsigned is

begin

RES <= A * B;

end beh;

乘法加法和乘法累加

推断出以下宏：

•乘加

•乘子

•乘法加法/减法

•乘法累加

宏是通过以下各项的聚合来推断的：

•乘数

•加法器/减法器

•寄存器

乘法加法和乘法累加的实现

在乘法-加法和乘法-累加实现过程中：

•Vivado合成可以在上实现推断的乘法-加法或乘法-累加宏DSP块资源。

•Vivado synthesis试图利用DSP块的流水线功能。

•Vivado合成达到：

○ 乘法运算数上存在两个寄存器级。

○ 乘法运算后出现的一个寄存器级。

○ 在加法器、减法器或加法器/减法器之后找到一个寄存器阶段。

○ 添加/子选择信号上的一个寄存器级。

○ 加法器上的一个寄存器级可选进位输入。

•Vivado合成可以在DSP块中实现乘法累加，如果实现的话仅需要单个DSP资源。

•如果宏超过单个DSP的限制，Vivado合成会执行以下操作：

○ 将其处理为两个独立的“倍增”和“累加”宏。

○ 对每个宏进行独立决策。

DSP块资源的宏实现

Vivado合成中默认推断DSP块资源上的宏实现。

•在默认模式下，Vivado合成：

○ 实现乘法-加法和乘法-累加宏。

○ 考虑目标设备中DSP块资源的可用性。

○ 使用所有可用的DSP资源。

○ 试图通过利用的所有流水线功能来最大限度地提高电路性能DSP块。

○ 扫描将寄存器吸收到乘法加法或乘法累加中的机会宏。

使用KEEP属性限制寄存器吸收到DSP块中。例如，到排除乘法器的操作数上存在的寄存器吸收到DSP块中，对寄存器的输出应用KEEP。有关KEEP属性的详细信息，请参见保持。

复杂乘法器示例

以下示例显示VHDL和Verilog中的复杂乘法器示例。编码示例文件还包括一个使用三个DSP的带累加的复数乘法器示例AMD UltraScale™体系结构的块。

复杂乘法器Verilog示例

使用三个DSP块的全流水线复数乘法器。

Filename: cmult.v

//

// Complex Multiplier (pr+i.pi) = (ar+i.ai)*(br+i.bi)

// file: cmult.v

module cmult # (parameter AWIDTH = 16, BWIDTH = 18)

(

input clk,

input signed [AWIDTH-1:0] ar, ai,

input signed [BWIDTH-1:0] br, bi,

output signed [AWIDTH+BWIDTH:0] pr, pi

);

reg signed [AWIDTH-1:0] ai_d, ai_dd, ai_ddd, ai_dddd ;

reg signed [AWIDTH-1:0] ar_d, ar_dd, ar_ddd, ar_dddd ;

reg signed [BWIDTH-1:0] bi_d, bi_dd, bi_ddd, br_d, br_dd, br_ddd ;

reg signed [AWIDTH:0] addcommon ;

reg signed [BWIDTH:0] addr, addi ;

reg signed [AWIDTH+BWIDTH:0] mult0, multr, multi, pr_int, pi_int ;

reg signed [AWIDTH+BWIDTH:0] common, commonr1, commonr2 ;

always @(posedge clk)

begin

ar_d <= ar;

ar_dd <= ar_d;

ai_d <= ai;

ai_dd <= ai_d;

br_d <= br;

br_dd <= br_d;

br_ddd <= br_dd;

bi_d <= bi;

bi_dd <= bi_d;

bi_ddd <= bi_dd;

end

// Common factor (ar ai) x bi, shared for the calculations of the real and

imaginary final products

//

always @(posedge clk)

begin

addcommon <= ar_d - ai_d;

mult0 <= addcommon * bi_dd;

common <= mult0;

end

// Real product

//

always @(posedge clk)

begin

ar_ddd <= ar_dd;

ar_dddd <= ar_ddd;

addr <= br_ddd - bi_ddd;

multr <= addr * ar_dddd;

commonr1 <= common;

pr_int <= multr + commonr1;

end

// Imaginary product

//

always @(posedge clk)

begin

ai_ddd <= ai_dd;

ai_dddd <= ai_ddd;

addi <= br_ddd + bi_ddd;

multi <= addi * ai_dddd;

commonr2 <= common;

pi_int <= multi + commonr2;

end

assign pr = pr_int;

assign pi = pi_int;

endmodule // cmult

Complex Multiplier Examples (VHDL)

Fully pipelined complex multiplier using three DSP blocks.

Filename: cmult.vhd

-- Complex Multiplier (pr+i.pi) = (ar+i.ai)*(br+i.bi)

--

--

-- cumult.vhd

--

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.numeric_std.all;

entity cmult is

generic(AWIDTH : natural := 16;

BWIDTH : natural := 16);

port(clk : in std_logic;

ar, ai : in std_logic_vector(AWIDTH - 1 downto 0);

br, bi : in std_logic_vector(BWIDTH - 1 downto 0);

pr, pi : out std_logic_vector(AWIDTH + BWIDTH downto 0));

end cmult;

architecture rtl of cmult is

signal ai_d, ai_dd, ai_ddd, ai_dddd : signed(AWIDTH - 1 downto 0);

signal ar_d, ar_dd, ar_ddd, ar_dddd : signed(AWIDTH - 1 downto 0);

signal bi_d, bi_dd, bi_ddd, br_d, br_dd, br_ddd : signed(BWIDTH - 1 downto

0);

signal addcommon : signed(AWIDTH downto 0);

signal addr, addi : signed(BWIDTH downto 0);

signal mult0, multr, multi, pr_int, pi_int : signed(AWIDTH + BWIDTH downto

0);

signal common, commonr1, commonr2 : signed(AWIDTH + BWIDTH downto 0);

begin

process(clk)

begin

if rising_edge(clk) then

ar_d <= signed(ar);

ar_dd <= signed(ar_d);

ai_d <= signed(ai);

ai_dd <= signed(ai_d);

br_d <= signed(br);

br_dd <= signed(br_d);

br_ddd <= signed(br_dd);

bi_d <= signed(bi);

bi_dd <= signed(bi_d);

bi_ddd <= signed(bi_dd);

end if;

end process;

-- Common factor (ar - ai) x bi, shared for the calculations

-- of the real and imaginary final products.

--

process(clk)

begin

if rising_edge(clk) then

addcommon <= resize(ar_d, AWIDTH + 1) - resize(ai_d, AWIDTH + 1);

mult0 <= addcommon * bi_dd;

common <= mult0;

end if;

end process;

-- Real product

--

process(clk)

begin

if rising_edge(clk) then

ar_ddd <= ar_dd;

ar_dddd <= ar_ddd;

addr <= resize(br_ddd, BWIDTH + 1) - resize(bi_ddd, BWIDTH + 1);

multr <= addr * ar_dddd;

commonr1 <= common;

pr_int <= multr + commonr1;

end if;

end process;

-- Imaginary product

--

process(clk)

begin

if rising_edge(clk) then

ai_ddd <= ai_dd;

ai_dddd <= ai_ddd;

addi <= resize(br_ddd, BWIDTH + 1) + resize(bi_ddd, BWIDTH + 1);

multi <= addi * ai_dddd;

commonr2 <= common;

pi_int <= multi + commonr2;

end if;

end process;

--

-- VHDL type conversion for output

--

pr <= std_logic_vector(pr_int);

pi <= std_logic_vector(pi_int);

end rtl;