備戰(zhàn)秋招[一]

加法器相關(guān)

半加器和全加器的區(qū)別在于，是否有進(jìn)位輸入端，可以直觀地理解為，半加器是兩個一比特相加，而全加器是三個一比特相加，輸出結(jié)果和進(jìn)位信號。

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半加器

半加器的真值表如下圖

其邏輯表達(dá)式為

根據(jù)邏輯表達(dá)式，可以使用如下門電路實現(xiàn)

全加器

全加器真值表如下

其邏輯表達(dá)式為:

使用門電路搭建

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使用加法器計算 7bit 中 1 的數(shù)量，最少用幾個？

有 7 個 1bit 的數(shù)，為他們編號，從 b0 到 b6，一共七個。

使用 1bit 全加器可以將 3 個 bit 相加，得到 2bit 的結(jié)果，那么 b0，b1，b2 使用一個加法器，b3，b4，b5 使用一個加法器。

現(xiàn)在 7 個 1bit 變成了 2 個 2bit 和一個 1bit(b6)。

然后使用一個 2bit 全加器將兩個 2bit 數(shù)進(jìn)行相加，1bit 的 b6 作為進(jìn)位輸入。相加后結(jié)果為 3 位，最大可以表示到 7 個 1bit。

而 2bit 全加器可以有 2 個 1bit 全加器組成，所以一共使用 4 個 1bit 全加器可以完成 1 的數(shù)量的統(tǒng)計。

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行波進(jìn)位加法器

以 4bit 的行波進(jìn)位加法器為例，需要使用 4 個 1bit 加法器實現(xiàn)，如下圖所示。在進(jìn)行加法運算時，首先準(zhǔn)備好的是 1 號全加器的 3 個 input。而 2、3、4 號全加器的 Cin 全部來自前一個全加器的 Cout，只有等到 1 號全加器運算完畢，2、3、4 號全加器才能依次進(jìn)行進(jìn)位運算，最終得到結(jié)果。這樣進(jìn)位輸出，像波浪一樣，依次從低位到高位傳遞， 最終產(chǎn)生結(jié)果的加法器，也因此得名為行波進(jìn)位加法器（Ripple-Carry Adder，RCA）。

如果將全加器內(nèi)部打開，我們可以看到，關(guān)鍵路上有 9 個門，門延遲非常高

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超前進(jìn)位加法器

為了改進(jìn)行波僅為加法器的延遲問題，可以將全加器的進(jìn)位信號轉(zhuǎn)化為 G 和 P 以及本級進(jìn)位輸入組成的邏輯。如下圖

將四個加法器串聯(lián)，迭代可以得到

可以看到，每一級的進(jìn)位都不依賴于上一級的進(jìn)位，因此不需要等待上一個加法器完成計算，超前得到進(jìn)位結(jié)果。同時，顯然如果要實現(xiàn)大位寬加法器，邏輯將會變得更加復(fù)雜。

通過超強進(jìn)位的方法，實現(xiàn)四位全加器的原理圖如下

單 bit 全加器的輸出改為輸出 P、G 和 S，而每一級的進(jìn)位可以有下方的邏輯得到。因此最終延遲為 4 個門。

對比行波進(jìn)位加法器（RCA）和超前進(jìn)位加法器（CLA）

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分頻電路相關(guān)

偶數(shù)分頻

偶數(shù)分頻器的實現(xiàn)簡單，用計數(shù)器在上升沿或者下降沿計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器的值等于分頻系數(shù)的一半或等于分頻系數(shù)時，信號翻轉(zhuǎn)。偶數(shù)分頻器分頻原理如下圖所示：

上圖的的分頻系數(shù)是 4，就是 4 分頻。電路原理是用一個上升沿計數(shù)的計數(shù)器，每次計數(shù)到 2 時輸出信號 clkout 翻轉(zhuǎn)一次，每次計數(shù)到 4 時 clkout 再翻轉(zhuǎn)一次，一直周期重復(fù)下去。其他的偶數(shù)分頻器原理也是一樣。

如果偶數(shù)分頻系數(shù)是 2 的冪，就可以用 2 分頻器級聯(lián)得到；例如 4 分頻就是兩個 2 分頻級聯(lián)，下圖就是用兩個 2 分頻器級聯(lián)得到 4 分頻器。

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奇數(shù)分頻

如果不要求占空比為 50%的話，也比較容易實現(xiàn)，如進(jìn)行三分頻，通過待分頻時鐘上升沿觸發(fā)計數(shù)器進(jìn)行模三計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到鄰近值進(jìn)行兩次翻轉(zhuǎn)，比如可以在計數(shù)器計數(shù)到 1 時，輸出時鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，計數(shù)到 2 時再次進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。即在計數(shù)值在鄰近的 1 和 2 進(jìn)行了兩次翻轉(zhuǎn)。這樣實現(xiàn)的三分頻占空比為 1/3 或者 2/3。

對于實現(xiàn)占空比為 50%的 N 倍奇數(shù)分頻，可以分解為兩個通道：

?上升沿觸發(fā)進(jìn)行模 N 計數(shù)，計數(shù)選定到某一個值進(jìn)行輸出時鐘翻轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過（N-1）/2 再次進(jìn)行翻轉(zhuǎn)得到一個占空比為非 50%奇數(shù) N 分頻時鐘；?下降沿觸發(fā)進(jìn)行模 N 計數(shù)，到和上升沿觸發(fā)輸出時鐘翻轉(zhuǎn)選定值相同值時，進(jìn)行輸出時鐘時鐘翻轉(zhuǎn)，同樣經(jīng)過（N-1）/2 時，輸出時鐘再次翻轉(zhuǎn)生成占空比非 50%的奇數(shù) N 分頻時鐘。

將這兩個占空比非 50%的 N 分頻時鐘或運算，得到占空比為 50%的奇數(shù) n 分頻時鐘。

具體例子：5 分頻等占空比，可以通過待分頻時鐘下降沿和上升沿觸發(fā) 0~4 計數(shù)，

?對于待分頻時鐘的上升沿，當(dāng)計數(shù)器 cnt1 計數(shù)到 1 時，clk_p 翻轉(zhuǎn)；當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到 3(1 + (5 - 1) / 2 = 3)時，clk_p 再次反轉(zhuǎn)；?對于待分頻時鐘的下降沿，當(dāng)計數(shù)器 cnt2 計數(shù)到 1 時，clk_n 翻轉(zhuǎn)；當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到 3(1 + (5 - 1) / 2 = 3)時，clk_n 再次反轉(zhuǎn)；?然后下降沿產(chǎn)生的 5 分頻時鐘和上升沿產(chǎn)生的 5 分頻時鐘進(jìn)行或運算，即可得到占空比為 50%的 N 分頻時鐘。

這種方法可以實現(xiàn)任意的奇數(shù)分頻。

下面給出 5 分頻的具體代碼：

`timescale 1ns/1ps
module CLK_DIV5(    input   clk_i,    input   rst_n,    output  clk_o    );    reg [2:0] cnt1,cnt2;    reg clk_p,clk_n;
//*********************//MAIN CORE//*********************        always @(posedge clk_i,negedge rst_n)    if(!rst_n) begin        cnt1 <= 3'b0;        clk_p <= 1'b0;    end     else begin        if(cnt1 == 3'b100) begin            cnt1 <= 3'b0;            clk_p <= clk_p;        end        else begin            cnt1 <= cnt1 + 1'b1;            if(cnt1 == 3'b1 || cnt1 == 3'b11)                clk_p <= ~clk_p;        end    end
always @(negedge clk_i,negedge rst_n)    if(!rst_n) begin        cnt2 <= 3'b0;        clk_n <= 1'b0;    end     else begin        if(cnt2 == 3'b100) begin            cnt2 <= 3'b0;            clk_n <= clk_n;        end        else begin            cnt2 <= cnt2 + 1'b1;            if(cnt2 == 3'b1 || cnt2 == 3'b11)                clk_n <= ~clk_n;        end    end
    assign clk_o = clk_p | clk_n;endmodule

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分?jǐn)?shù)分頻

對于要求相位以及占空比嚴(yán)格的分?jǐn)?shù)分頻（小數(shù)分頻），建議采用模擬電路實現(xiàn)。而使用數(shù)字電路實現(xiàn)只能保證盡量均勻，在長時間內(nèi)進(jìn)行分頻。

對于一個分?jǐn)?shù)，把他它分為整數(shù)部分和小數(shù)部分的形式。例如 N=M.D>1 分頻，分為整數(shù) M 和小數(shù) D，我們使用 M 分頻和 M+1 分頻來構(gòu)成 M.D 分頻。

設(shè) M 分頻的次數(shù)為 N1，M+1 分頻的次數(shù)為 N2。

將 M 分頻進(jìn)行 N1 次和 M+1 分頻進(jìn)行 N2 次，那么在 M*N1+(M+1)*N2 個周期內(nèi)，整體可以看作(M*N1+(M+1)*N2)/(N1+N2)=N 分頻。

可以通過均勻分布 M 分頻和 M+1 分頻，使得相位較為均勻。

結(jié)構(gòu)圖可以參考下圖