高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用_第1頁
高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用_第2頁
高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用_第3頁
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1、高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用                 高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用摘要:與傳統(tǒng)加法器相比,數(shù)字串行加法器具有工作頻率高、占用資源少、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。介紹了數(shù)字串行加法器的原理,說明了該加法器在FPGA上的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)及其在匹配濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞:加法器 位并行 數(shù)字串行 FPGA 匹配濾波器與傳統(tǒng)相比,定制具有速度更高、設(shè)計(jì)靈活、易于更改等優(yōu)點(diǎn),常常應(yīng)用于設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵算法的驗(yàn)證。在運(yùn)算中,加法是最常用的。常見

2、的加法器是位并行的(),在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成加法運(yùn)算。其速度較高,占用的資源較多。但是,在很多應(yīng)用中,并不需要這么高的速度,而且希望減小資源消耗。這時(shí)可以采用數(shù)字串行()加法器,利用多個(gè)時(shí)鐘周期完成一個(gè)完整的加法運(yùn)算,從而使占用的資源大幅度減少。為了使數(shù)字串行加法器具有更廣泛的應(yīng)用范圍,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要使電路達(dá)到盡可能高的工作頻率,以取得高的數(shù)據(jù)吞吐量(),從而滿足系統(tǒng)其它部分的速度要求。 數(shù)字串行加法器在數(shù)字串行加法器中,字長為的操作數(shù)被分為個(gè)位寬為(能被整除,)的數(shù)字,然后從低位開始相加,在個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成加法操作。個(gè)時(shí)鐘周期稱為一個(gè)采樣周期(? ( 高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用 ) 歟?)。的數(shù)

3、字串行加法器結(jié)構(gòu)如圖所示。如果輸入操作數(shù)的字長為,那么串行加法器可以在個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成加法運(yùn)算。這個(gè)加法器只用了兩個(gè)全加器的資源,比一般的行波進(jìn)位加法器小。數(shù)字串行加法器的控制也比較簡單,輸入移位寄存器完成并行串行轉(zhuǎn)換功能,通過移位操作不斷為加法器提供位寬為的操作數(shù);信號指示了新采樣周期的開始,此時(shí)清零;輸出移位寄存器完成串行并行轉(zhuǎn)換,輸出計(jì)算結(jié)果。對于特定的輸入字長,通過選擇不同的,可以實(shí)現(xiàn)速度、面積不同的數(shù)字串行加法器。這樣,設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際情況加以選擇,提高了設(shè)計(jì)的靈活性。圖2 2bit全加器連接示意圖 高速數(shù)字串行加法器在上的實(shí)現(xiàn)由于數(shù)字串行加法器要用個(gè)時(shí)鐘周期才能完成整個(gè)加法操作,

4、因此其工作頻率必須足夠高。這樣,在上實(shí)現(xiàn)時(shí),如何使串行加法器具有盡量高的工作頻率就將成為關(guān)鍵問題。下面以公司的系列為例,說明如何設(shè)計(jì)高速數(shù)字串行加法器。的一個(gè)( )包含兩個(gè),圖為在一個(gè)上實(shí)現(xiàn)全加器的連接示意圖(不相關(guān)的邏輯已略去)。數(shù)字串行加法器的結(jié)構(gòu)是行波進(jìn)位加法器,因此必須盡量減小進(jìn)位邏輯上的延遲。的中提供了專用的進(jìn)位邏輯和布線,充分利用這些資源可以提高加法器的性能。對系列,數(shù)字串行加法器應(yīng)選用奇數(shù)位寬,這是因?yàn)樵谥幸粋€(gè)包括兩個(gè)(查找表)、兩個(gè)觸發(fā)器和一些其它的組合邏輯,因此使用一個(gè)剛好可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)的全加器,使用兩個(gè)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)的全加器。如果要實(shí)現(xiàn)的全加,則需要一個(gè)完成的相加和保存,另外還

5、需要一個(gè)中的一個(gè)寄存器用來存儲進(jìn)位,這樣兩個(gè)整體的利用率就降低很多。數(shù)據(jù)位寬為、等偶數(shù)時(shí)都存在這樣的問題。圖為時(shí)加法器的布局布線示意圖。由于專用的進(jìn)位鏈布線資源僅存在于縱向的兩個(gè)之間,所以在實(shí)現(xiàn)加法器時(shí),使用縱向相鄰的兩個(gè)。加法器的關(guān)鍵路徑在進(jìn)位鏈上,其延時(shí)為: 本文高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用(2)- 式中,為的到的延時(shí),為到的延時(shí),為到的建立時(shí)間。這些延時(shí)的數(shù)值可以從手冊獲得。連線延時(shí)包括和的延時(shí)。前者是進(jìn)位鏈,延時(shí)為;后者為普通連線,延時(shí)約為。因此,總延時(shí)約為,即工作頻率約為 。為了減小延時(shí)、提高工作頻率,使用 對布局布線進(jìn)行精確控制,并把加法器做成硬宏,有利于保證多次實(shí)例化時(shí)的性能?,F(xiàn)將

6、使用宏完成的設(shè)計(jì)和使用語言完成的設(shè)計(jì)在工作頻率上做一個(gè)比較。使用器件、綜合器時(shí),用宏完成的數(shù)字串行加法器的最高工作頻率為,而用完成的相同設(shè)計(jì)的最高工作頻率只有。這是由于設(shè)計(jì)用輸入時(shí),布局布線工具用了個(gè),第一個(gè)完成全加器,第二個(gè)完成全加器,第三個(gè)只用了內(nèi)部的一個(gè)觸發(fā)器來存儲進(jìn)位,第一、二個(gè)之間用進(jìn)位鏈連接,延時(shí)為,但是第二、三個(gè)之間只能使用普通連線,而且第三個(gè)的輸入到觸發(fā)器的建立時(shí)間較大,因而影響了串行加法器的運(yùn)行速度。 數(shù)字串行加法器的應(yīng)用數(shù)字串行加法器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)加法器用在濾波器、乘法器、累加器等電路的設(shè)計(jì)中,能大大減小資源占用。下面以在系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的匹配濾波器為例說明數(shù)字串行加法器的應(yīng)用

7、。匹配濾波器是一種無源相關(guān)技術(shù),它可以快速實(shí)現(xiàn)相關(guān)器的功能。匹配濾波器的沖激響應(yīng)為:h()() ()設(shè)()為輸入波形,則其輸出波形為:可知濾波輸出()是輸入信號的自相關(guān)函數(shù)。在、等系統(tǒng)中,匹配濾波使用本地碼系列來匹配輸入到接收機(jī)的采樣數(shù)據(jù)。在濾波器中,本地碼序列與接收數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘、求和操作,得到相關(guān)值,相關(guān)值越大說明相關(guān)程度越高。其工作過程如圖所示。匹配濾波器可以使用移位寄存器和加法器來實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)如圖所示,其中,濾波器的系數(shù)因子()為本地碼序列,輸入()為接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)每移位一次,濾波器計(jì)算    一次輸出結(jié)果。當(dāng)移動到兩個(gè)序列相位對齊時(shí),就產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)

8、峰值輸出。系統(tǒng)對匹配濾波的設(shè)計(jì)要求是:匹配長度為,輸入四路數(shù)據(jù),每一路經(jīng)過量化、速率為,即濾波器的處理速度為×。對于這樣一個(gè)匹配濾波器,有很多種實(shí)現(xiàn)方法,例如在高速率下可以通過旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)本地碼序列或者通過動態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)互換來簡化設(shè)計(jì)。這些方法都用到一個(gè)比較大型的加法樹,如果用一般加法器實(shí)現(xiàn),將占用大量的資源, ( 高速數(shù)字串行加法器及其應(yīng)用(3) ) 因此有必要加以改進(jìn)。設(shè)計(jì)中用到的加法樹有個(gè)輸入,計(jì)算結(jié)果為。采用一般加法器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖()所示,在中約占個(gè),資源消耗過大。為了減小資源消耗、提高設(shè)計(jì)密度,使用上述數(shù)字串行加法器對加法樹進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖()所示。由于減小了加

9、法器的運(yùn)算寬度,大大降低了使用的邏輯資源,整個(gè)加法樹大約只用個(gè)。使用數(shù)字串行加法樹完成加法運(yùn)算需要的時(shí)鐘周期與加法器的位寬有關(guān),增加加法器的位寬可以減小運(yùn)算需要的時(shí)鐘周期、提高濾波器的數(shù)據(jù)吞吐量,但是也增加了硬件資源的消耗。所以在處理能力滿足的條件下,應(yīng)該選擇比較小的位寬。列出了用不同位寬的數(shù)字串行加法器實(shí)現(xiàn)的加法樹的工作頻率和占用資源,選用器件為,綜合工具為。對于本設(shè)計(jì),如果使用的數(shù)字串行加法器,數(shù)據(jù)經(jīng)過加法樹之后從擴(kuò)展成,所以數(shù)據(jù)完全輸出需要個(gè)時(shí)鐘周期。根據(jù)這些要求,為了使得濾波器達(dá)到的處理速度,的串行加法器必須工作在×。如果使用串行加法器,數(shù)據(jù)完全輸出需要個(gè)時(shí)鐘周期,即加法器的工作頻率應(yīng)為×。的數(shù)字串行加法樹可以滿足設(shè)計(jì)要求,而資源占用是一般加法樹的。 高速數(shù)字串行加法

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