第5章+数字集成电路系统设计ppt课件.ppt

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1、第五章数字集成电路系统设计5.1二进制加法器(Adder)5.2二进制乘法器(Multiplier)5.3桶型移位器(BarrelShifter)5.4可编程逻辑器件5.5半导体存储器5.1二进制加法器（Adder）5.1.1一位加法器——半加器（HalfAdder）与全加器（FullAdder）根据二进制的运算规则，两个一位二进制数相加的真值表如表5-1所列。表5-1一位半加器真值表根据该真值表，可以得到一位半加器的逻辑运算表达式：Sum=AXORBCarry=AANDB(5-1)由上可见，对于任意两个一位二进制数相加，其结果除了本位的和（Sum）之外

2、，还可能向上一位产生进位（Carry）。这样一来，在多位加法运算中，高位数值相加时，不但要考虑本位数的运算，还必须考虑下一位运算向本位产生的进位。全加器就是完成此功能的运算部件，一位全加器真值表如表5-2所列。表5-2一位全加器真值表一位全加器的逻辑运算表达式为：(5-2)根据式(5-2)可以得到一位全加器的逻辑电路图如图5-1所示。注意，该全加器电路利用进位输出信号Cout来产生和Sum，此时Sum信号相对于Cout会有一个延时。该特性对于多位并行加法器是合适的，因为在多位并行加法器中,Cout信号是“逐级”通过各位的，所以进位延时应尽量小。图5-1一位

3、全加器电路原理图5.1.2n位并行加法器所谓并行相加，是指n位被加数中的每一位与n位加数中的各个对应位同时相加。n位并行加法器由n个一位全加器相互连接构成，其连接方式决定了该加法器的电路复杂程度和运算速度。1.行波进位加法器（RippleCarryAdder）将n个一位全加器以图5-2所示的形式连接在一起（最低位可使用一位半加器），就构成了一个n位行波进位加法器。该加法器每一位的进位输入均由相邻的低位送来，在最高位（n-1）得到最后的进位输出Carry，输出的和(Sum)则从各个相应位取得。图5-2n位行波进位加法器2.选择进位加法器（CarrySelec

4、tAdder）选择进位加法器将需要相加的n位二进制数分成具有相同位数（p位）的m组，每组的相加电路由两个p位的行波进位加法器和一个多路数据选择器（MUX）构成。电路中一组加法器的进位输入为“1”，另一组的进位输入为“0”，多路数据选择器用于从两个加法器的“和”中选择一个作为最终的输出。该电路允许各个分组的数据相加以并行的方式进行，而不需等待下一组送来的进位。下一组的进位只用于控制多路数据选择器从两个加法器的“和”中选择一个作为最终的输出。16位选择进位加法器的电路构成如图5-3所示。图5-316位选择进位加法器根据以上电路可以看出，选择进位加法器运算总延迟

5、时间为Ta=p*Tc+TMUX+Tsel(5-3）式中：Tc——一位全加器的进位延迟时间；TMUX——多路数据选择器的延迟时间；Tsel——多路数据选择器选择控制信号的生成延迟。3.超前进位加法器（CarryLookaheadAdder）上述两种多位并行加法电路构成的基本单元都是行波进位加法器，只不过依据结构的不同行波进位的位数有所不同而已。在进行计算时，两种电路所产生的最大延迟均为进位传递时间。为了进一步提高运算速度，经过对多位加法运算算法的研究，设计出了超前进位加法电路。所谓超前进位,是依据低位的加数和被加数的状态来判断本位是否有进位，而不必等

6、待低位送来的实际进位信号，从而大大提高了多位加法的运算速度。超前进位加法器的构成原理是：假设有被加数An-1An-2…A2A1A0与加数Bn-1Bn-2…B2B1B0相加，从各位产生的进位信号分别是Cn-1Cn-2…C3C2C1C0，于是有：（5-4a）（5-4b）定义两个辅助公式：Gi=AiBi(5-5a)Pi=Ai+Bi(5-5b)将以上两式代入式(5-4b)得Ci=AiBi+（Ai+Bi）Ci-1=Gi+Pi·Ci-1(5-6)即：C0=G0+P0·C-1(C-1是加于最低位的进位输入信号)(5-7)图5-44位超前进位形成逻辑电路图5-5所示就

7、是由4位超前进位形成逻辑电路与全加器电路连接而成的4位超前进位加法器电路。图5-54位超前进位加法器电路超前进位形成逻辑可以递归使用，从而构成位数更高的加法器电路而不过多地增加电路的复杂程度。图5-6就是用此方法构成的16位超前进位加法器。图5-616位超前进位加法器电路5.1.3浮点数加法器（FloatingPointAdder）1.浮点数的表示方法在浮点数中，小数点的位置可以左右移动，其表示方法为N=M×RE(5-8)式中：M（Mantissa）——浮点数的尾数；R（Radix）——浮点数中阶的基数；E（Exponent）——浮点数中阶的阶码。计算机中

8、规定，基数R一般为2、8或16，在实际应用中主要为2。由于该R为固