什么是一位全加器,其原理是什么?

什么是一位全加器,其原理是什么

　加器是能够计算低位进位的二进制加法电路

一位全加器由2个半加器组成，其电路原理如图4-2所示

　　一位全加器(FA)的逻辑表达式为：
　　S＝A⊕B⊕Cin
　　Co＝AB＋BCin＋ACin
　　其中A,B为要相加的数，Cin为进位输入；S为和，Co是进位输出；
　　如果要实现多位加法可以进行级联，就是串起来使用；比如32位+32位，就需要32个全加器；这种级联就是串行结构速度慢，如果要并行快速相加可以用超前进位加法，
　　超前进位加法前查阅相关资料；
　　如果将全加器的输入置换成A和B的组合函数Xi和Y（S0…S3控制）,然后再将X,Y和进位数通过全加器进行全加，就是ALU的逻辑结构结构。
　　即 X＝f（A，B)
　　Y＝f（A，B）
　　不同的控制参数可以得到不同的组合函数,因而能够实现多种算术运算和逻辑运算。
 

表2-1一位全加器的真值表

ADD1	0	0	1	1	0	0	1	1
ADD2	0	1	0	1	0	1	0	1
CARRY_OUT	0	0	0	0	1	1	1	1
SUM<	0	1	1	0	1	0	0	1

一、         实验目的

1.       熟悉QUARTUSII软件的使用；

2.       熟悉实验箱的使用；

3.       掌握利用层次结构描述法设计电路。

二、         实验原理及说明

由数字电路知识可知，一位全加器可由两个一位半加器与一个或门构成，其原理图如图1所示。该设计利用层次结构描述法，首先设计半加器电路，将其打包为半加器模块；然后在顶层调用半加器模块组成全加器电路；最后将全加器电路编译下载到实验箱，其中a,b,cin信号可采用实验箱上键1、键2和键3进行输入，s,co信号采用D1与D2发光二极管来显示。

图1.1 全加器原理图

三、         实验步骤

1.    建立full_adder的工程(project)

在QUARTUSII软件下创建一工程，工程名为full_adder，芯片名为EP 1C3T144，选择FPGA目标器件，根据DE2的平台情况，选择cyclone II系列的EP2C35F672C6,注意工程路径不要放到安装路径；

2.    设计half_adder的VHDL模块

新建VHDL语言文件，输入如下半加器VHDL语言源程序，并存盘为half_adder.vhd；

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;

entity half_adder is

           port( a : in STD_LOGIC;

                  b : in STD_LOGIC;

                  s : out STD_LOGIC;

                 co : out STD_LOGIC );

end half_adder;

architecture half_adder of half_adder is

signal c,d:std_logic;

begin

       c<=a or b;

       d<=a nand b;

       co<=not d;

       s<=c and d;

end half_adder;

 

3.      验证half_adder.vhd的正确与否，进行仿真

一般先进行功能仿真，再进行时序仿真。为了仿真，首先编辑测试文件。本次实验由于系统简单，采用对输入信号进行输入波形编辑的方法得到激励文件

 

4.      进行功能仿真

（1）设置仿真器进行功能仿真:

•         Assignments—>setting,选择simulation setting，在simulation mode中选择functional

•         在对话框中的simulation input中选择half_adder.vwf,指定激励文件

•         由Processing—>generat functional simulation netlist得到功能仿真的网表文件

•         由Processing—>start simulation得到功能仿真波形

（2）设置仿真器进行时序仿真:

•         改变仿真器的设置，Assignments—>setting

•         选择仿真器设置，更改仿真模式，选择timing

•         由Processing—>start Compilation对设计进行编译

•         由Processing—>start simulation得到时序仿真波形

5.      封装

6.      编辑全加器的原理图

由file->new,打开原理图文件，并存盘为full_adder.bdf

在原理图中调用半加器与或门模块，按照图1.1所示连接电路，完成后另保存full_adder。

7.      对设计进行全编译，如出现错误请按照错误提示进行修改。

•      由Processing->Start Compilation对设计进行全编译。

•     编辑波形文件对全加器模块进行功能仿真和时序仿真。

8.      锁定引脚，下载

实验采用模式5，锁定引脚对照表如下

                     

信号	键1	键2	键3	D1	D2
引脚号	1	2	3	11	32

 

执行ASSIGNMENT-PINS，设置完成后,执行下载。

下载：采用JATG方式进行下载，通过键1、键2与键3的输入，观察D1，D2的亮灭验证全加器的逻辑功能。(此时,电脑与下载线都要连接到实验箱上,且每次连线都必须先关掉电源)

 

四、         思考题

1.为什么在实验步骤3中，将半加器保存为half_adder，可否保存为full_adder？

答:不能保存为full_adder，因为VHDL语言中，要求程序名与实体名一致，否则会出现错误；而且这个程序是生成半加器模块的程序，统一命名对模块理解也容易得多。

2.对电路进行功能仿真与时序仿真时，发现二者有什么样的区别？

   答：功能仿真就是将综合后的VHDL网表文件再送到VHDL仿真器中所进行仿真。这时的仿真仅对VHDL描述的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求，仿真过程不涉及具体器件特性，如延时特性。时序仿真就是将布线器/适配器所产生的VHDL网表文件送到VHDL仿真器中所进行的仿真。该仿真已将器件特性考虑进去了，因此可以得到精确的时序仿真结果。

3.为什么要进行引脚锁定？

   答：进行引脚锁定，是为了对硬件进行检测，就是FPGA/CPLD直接应用与系统设计中，将下载文件下载到芯片后，对系统的设计进行的功能检测的过程。

4.采用层次结构法描述电路有什么样的优点？

  答：可以大大降低设计成本，缩短设计周期；极大地简化设计文档的管理；提高大规模系统电子设计的自动化程度；设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞；良好的可移植与可测试性，为系统开发提供可靠的保证；能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中；在系统板设计结束后仍可利用计算机对硬件系统进行完整的测试。