一种大位宽加减法器的时序优化
平台：vivado2018.3
芯片：xc7a100tfgg484-2 (active)
在FPGA中实现超高位宽加减法器（如256）时，时序收敛常成为瓶颈。由于进位链（Carry Chain）跨越多级逻辑单元，关键路径延迟会随位宽指数增长，导致时钟频率急剧下降。针对这一问题，现在使用如下方式优化大位宽加减法器的时序。
这里使用进位选择加减法器，通过并行计算和进位预测技术，优化加减法器的路径延时，提高整体的运算速度。
优化的核心机制：模块的拆分与并行处理
这里使用减法为例。
1、将输入位宽拆分进行并行处理。
将输入高位宽数据拆分为两部分，低位宽数据和高位宽数据。
使用并行减法器代替高位宽减法器。使用低位减法器(add_lower)计算低位宽数据的差值。同时计算高位宽的减法结果，根据减法器的结构，提前计算借位为0（add_upper0）和借位为1(add_upper1)的两种计算结果。
2、输出结果
根据低位减法器(add_lower)输出借位cout决定高位结果的选取。假如借位为0，选择add_upper0的无借位结果。如果借位为1，选择add_upper1的带借位结果。将最终结果进行拼合。
代码展示
这里都使用vivado的加法器，添加vio和ila的工程。
不使用进位选择。
c_addsub_0 u_c_addsub_0 (.A (dataa ), // input wire [255 : 0] A.B (datab ), // input wire [255 : 0] B.CLK (clock ), // input wire CLK.ADD (1'b0 ), // input wire ADD.C_IN (1'b1 ), // input wire C_IN.C_OUT ( ), // output wire C_OUT.S (result )// output wire [255 : 0] S
);使用进位选择。
// *********************************************************************************/
// Project Name :
// Author : i_huyi
// Email : i_huyi@qq.com
// Creat Time : 2025/4/17 9:30:25
// File Name : .v
// Module Name :
// Called By :
// Abstract :
//
// CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
// All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************/
// Modification History:
// 1. initial
// *********************************************************************************/
// *************************
// MODULE DEFINITION
// *************************
`timescale 1 ns / 1 ps
module add_sub_timing#(
parameter WIDTH = 256)(
input wire [WIDTH-1:0] dataa , //
input wire [WIDTH-1:0] datab , //
output wire [WIDTH-1:0] result , //
input wire clock // );
//----------------------------------------------
// localparam
//----------------------------------------------//----------------------------------------------
// register
//----------------------------------------------//----------------------------------------------
// wire
//----------------------------------------------
wire lower_cout ;
wire [WIDTH/2-1:0] lower_result ;
wire [WIDTH/2-1:0] upper0_result ;
wire [WIDTH/2-1:0] upper1_result ;
wire [WIDTH-1:0] dataa_w ;
wire [WIDTH-1:0] datab_w ;
wire [WIDTH-1:0] result_w ;
//----------------------------------------------
// assign
//----------------------------------------------
assign dataa_w = dataa ;
assign datab_w = datab ;
assign result = result_w ;
assign result_w = {(({WIDTH/2{(~ lower_cout)}} & upper0_result) | ({WIDTH/2{lower_cout}} & upper1_result)),lower_result};
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
c_addsub_1 add_lower (.A (dataa_w[WIDTH/2-1:0] ), // input wire [127 : 0] A.B (datab_w[WIDTH/2-1:0] ), // input wire [127 : 0] B.CLK (clock ), // input wire CLK.ADD (1'b0 ), // input wire ADD.C_IN (1'b1 ), // input wire C_IN.C_OUT (lower_cout ), // output wire C_OUT.S (lower_result )// output wire [127 : 0] S
);c_addsub_1 add_upper0 (.A (dataa_w[WIDTH-1:WIDTH/2] ), // input wire [127 : 0] A.B (datab_w[WIDTH-1:WIDTH/2] ), // input wire [127 : 0] B.CLK (clock ), // input wire CLK.ADD (1'b0 ), // input wire ADD.C_IN (1'b0 ), // input wire C_IN.C_OUT ( ), // output wire C_OUT.S (upper0_result )// output wire [127 : 0] S
);c_addsub_1 add_upper1 (.A (dataa_w[WIDTH-1:WIDTH/2] ), // input wire [127 : 0] A.B (datab_w[WIDTH-1:WIDTH/2] ), // input wire [127 : 0] B.CLK (clock ), // input wire CLK.ADD (1'b0 ), // input wire ADD.C_IN (1'b1 ), // input wire C_IN.C_OUT ( ), // output wire C_OUT.S (upper1_result )// output wire [127 : 0] S
);//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
endmodule
顶层top
// *********************************************************************************/
// Project Name :
// Author : i_huyi
// Email : i_huyi@qq.com
// Creat Time : 2025/2/10 10:20:41
// File Name : .v
// Module Name :
// Called By :
// Abstract :
//
// CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
// All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************/
// Modification History:
// 1. initial
// *********************************************************************************/
// *************************
// MODULE DEFINITION
// *************************
`timescale 1 ns / 1 ps
module top_add_sub#(
parameter U_DLY = 1'b1)(
input wire clk_p , //
input wire clk_n //);
//----------------------------------------------
// localparam
//----------------------------------------------parameter WIDTH = 256;
//----------------------------------------------
// register
//----------------------------------------------//----------------------------------------------
// wire
//----------------------------------------------
wire [WIDTH-1:0] dataa ; //
wire [WIDTH-1:0] datab ; //
wire [WIDTH-1:0] result ; // //----------------------------------------------
// assign
//----------------------------------------------
vio_0 u_vio_0 (.clk (clock ),// input wire cl.probe_out0 (dataa ), // output wire [255 : 0] probe_out0.probe_out1 (datab )// output wire [255 : 0] probe_out1
);
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------clk_wiz_0 u_clk_wiz_0(// Clock out ports.clk_out1 (clock ), // output clk_out1// Status and control signals.locked (aclr ), // output locked// Clock in ports.clk_in1_p (clk_p ), // input clk_in1_p.clk_in1_n (clk_n )); // input clk_in1_n
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------//c_addsub_0 u_c_addsub_0 (
// .A (dataa ), // input wire [255 : 0] A
// .B (datab ), // input wire [255 : 0] B
// .CLK (clock ), // input wire CLK
// .ADD (1'b0 ), // input wire ADD
// .C_IN (1'b1 ), // input wire C_IN
// .C_OUT ( ), // output wire C_OUT
// .S (result )// output wire [255 : 0] S
//);add_sub_timing u_add_sub_timing(.dataa (dataa ), // (input ) .datab (datab ), // (input ) .result (result ), // (output) .clock (clock )// (input ) );//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------ila_0 your_instance_name (.clk(clock), // input wire clk.probe0(dataa ), // input wire [255:0] probe0 .probe1(datab ), // input wire [255:0] probe1 .probe2(result ) // input wire [255:0] probe2
);
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
endmodule代码仿真。
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2025/03/26 13:54:03
// Design Name:
// Module Name: tb_float_div_nd
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//module tb_add_sub;
parameter WIDTH = 256 ; reg clock ; //
reg rst_n ; //
reg [WIDTH-1:0] dataa ; //
reg [WIDTH-1:0] datab ; // wire [WIDTH-1:0] result ;
wire [WIDTH-1:0] result_1 ; wire flog;
assign flog = (result == result_1 ) ? 1 : 0;c_addsub_0 u_c_addsub_0 (.A (dataa ), // input wire [255 : 0] A.B (datab ), // input wire [255 : 0] B.CLK (clock ), // input wire CLK.ADD (1'b0 ), // input wire ADD.C_IN (1'b1 ), // input wire C_IN.C_OUT ( ), // output wire C_OUT.S (result )// output wire [255 : 0] S
);add_sub_timing u_add_sub_timing(.dataa (dataa ), // (input ) .datab (datab ), // (input ) .result (result_1 ), // (output) .clock (clock )// (input ) );initial
beginclock = 0;rst_n = 0;dataa = 0;datab = 0;
// #100;
// rst_n =1;
// #100;
// dataa = 'd128;
// datab = 'd64;
//
// #100;
// dataa = 'd55;
// datab = 'd44;#100;$stop;endalways@(posedge clock)
begindataa <= $random & 32'hfff;datab <= $random & 32'hfff;
endalways#5 clock = ~clock;endmodule
仿真结果
工程综合效果
pll输出时钟150MHZ
256位宽加法器设置
128位宽加法器设置
使用高位宽加减法器
综合时序
逻辑级数
使用进位选择加减法器优化
综合时序
查看逻辑级数
