基于FPGA的乘法器设计与实现.pdf

本文是一篇关于利用FPGA（现场可编程门阵列）实现乘法器设计的专业技术论文。文中详细介绍了乘法器设计的原理，并基于硬件描述语言对几种乘法器进行了FPGA设计与实现，最终对不同乘法器的性能进行了评估。以下是对该文档中包含知识点的详细解读。 1. FPGA简介：FPGA是一种可以通过硬件描述语言（HDL）进行编程的集成电路，它包含了可编程的逻辑块和可编程的互连。FPGA提供了灵活性，可以实现各种数字逻辑电路设计，包括数据处理、信号处理和控制等应用。FPGA在成本、性能和可重配置性方面具有独特优势，适用于需要快速开发、测试和部署的场合。 2. 乘法器设计基础：乘法器设计的实现基于两个方面，即单位乘法（1-digit乘法）和多操作数加法。单单位乘法是乘法运算的基础，可以利用组合电路或者时序电路来实现。组合电路乘法器相较于时序电路乘法器，虽然硬件资源消耗更大，但其运算速度更快。 3. 硬件描述语言（HDL）的应用：在本文中，硬件描述语言被用来对乘法器进行设计。硬件描述语言主要有VHDL和Verilog两种，它们都是用于描述电子系统硬件结构和行为的语言。通过使用HDL，工程师可以编写代码来定义FPGA内的电路功能和结构，进而实现乘法器的设计。 4. 乘法器设计：本文提出了基于组合电路和时序电路的乘法器设计方法，并在ALTER公司FPGA系列上进行了实现。组合电路乘法器使用组合逻辑来完成乘法运算，而时序电路乘法器则采用时序逻辑，其中时钟信号用于同步数据流。 5. 性能分析与比较：文中对设计的乘法器从运算速度、资源占用率以及操作数长度等方面进行了综合分析和比较。操作数的长度直接影响到乘法器的资源占用和处理速度。例如，对于操作数为64位的乘法器，其逻辑使用总量、组合ALUT数量以及运算时间都与128位操作数的乘法器有所差异。 6. 进位保留并行乘法器设计：本文还探讨了利用进位保留原理实现的并行乘法器设计。进位保留并行乘法器可以简化关键路径上的组合逻辑，从而提高运算速度。FPGA实现的乘法器性能分析指出，利用Quartus II 9.0软件对设计进行了综合和仿真验证，仿真结果显示所有结果均正确。 7. 作者背景介绍：作者车文洁为北京电子科技学院的硕士研究生，研究方向为密码算法的硬件实现。另一位作者高献伟为教授，研究方向包括电子设计自动化及FPGA技术在密码通信中的应用。 在总结上述知识点时，文章还提到了对于实现乘法器设计时，需要综合考量运算速度和硬件资源消耗两个关键因素。在具体实现中，需要平衡这两个因素以达到最佳的性能表现。通过对不同设计方案的分析比较，工程师可以选择最适合特定应用需求的乘法器实现方案。