P2P接口Booth乘法器设计描述原理代码实现

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描述

Booth乘法器是一种使用移位实现的乘法器,实现过程如下,对于乘法:

扩展A的位数为n+1位,添加

,则A变为:

从i=0开始,到i=n-1结束,依次考察

的值,做如下操作:

,不进行操作

最后,舍弃R的最右端1位,即获得

原理

其原理比较容易理解,对于以上乘法,可以分解为:

以上是位移乘法器的原理,那么对于booth乘法器,添加了一条:

即有:

将移位乘法器原理式中

连续为1的部分使用两个减法代替,即形成booth乘法器

代码实现

这次实现了一个基于P2P接口的booth乘法器,位宽可配置。

module booth_mul #(
    parameter DIN_WIDTH_LOG = 3
)(
    input clk,    // Clock
    input rst_n,  // Asynchronous reset active low

    input din_valid,
    output din_busy,
    input [2 ** DIN_WIDTH_LOG-1:0] din_data_a,
    input [2 ** DIN_WIDTH_LOG-1:0] din_data_b,

    output reg dout_valid,
    input dout_busy,
    output [2 ** (DIN_WIDTH_LOG + 1) - 1:0]dout_data
);

首先定义控制流,控制流为一个状态机,分别为:

  • INIT:静默状态,等待输入,获得输入时,转向WORK状态
  • WORK:工作状态,进行booth乘法,过程中din_busy信号被拉高,当运算完成后,转向TRAN
  • TRAN:传输状态,进行P2P输出,输出完成后转向INIT状态
parameter INIT = 2'b00;
parameter WORK = 2'b01;
parameter TRAN = 2'b11;

reg [DIN_WIDTH_LOG-1:0]shifter_counter;
reg [1:0] status,next_status;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin : proc_status
    if(~rst_n) begin
        status <= 'b0;
    end else begin
        status <= next_status;
    end
end

wire is_computed = (shifter_counter == 2 ** DIN_WIDTH_LOG - 1);
wire is_traned = dout_valid && !dout_busy;
always @(*) begin
    case (status)
        INIT:begin
            if(din_valid) begin
                next_status = WORK;
            end else begin
                next_status = INIT;
            end
        end
        WORK:begin
            if(is_computed) begin
                next_status = TRAN;
            end else begin
                next_status = WORK;
            end
        end
        TRAN:begin
            if(is_traned) begin
                next_status = INIT;
            end else begin
                next_status = TRAN;
            end
        end
        default : next_status = INIT;
    endcase
end
assign din_busy = status[0];

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n) begin
        shifter_counter <= 'b0;
    end else if(status == WORK) begin
        shifter_counter <= shifter_counter + 1'b1;
    end else begin
        shifter_counter <= 'b0;
    end
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n) begin
        dout_valid <= 'b0;
    end else if(is_computed) begin
        dout_valid <= 1'b1;
    end else if(is_traned) begin
        dout_valid <= 'b0;
    end
end

下面是数据流的部分,该部分实现了上述的booth乘法操作

reg [2 ** DIN_WIDTH_LOG:0]a_data;
wire is_read = !din_busy && din_valid;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin : proc_a_data
    if(~rst_n) begin
        a_data <= 0;
    end else if(is_read) begin
        a_data <= {din_data_a,1'b0};
    end else if(status == WORK) begin
        a_data <= a_data >> 1;
    end
end

reg [2 ** (DIN_WIDTH_LOG + 1) - 1:0]b_data;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin : proc_b_data
    if(~rst_n) begin
        b_data <= 0;
    end else if(is_read)begin
        b_data <= {(2 ** DIN_WIDTH_LOG)'(0),din_data_b};
    end else if(status == WORK) begin
        b_data <= b_data << 1;
    end
end

reg [2 ** (DIN_WIDTH_LOG + 1):0]temp_data,result_data;
always @(*) begin
    case (a_data[1:0])
        2'b01:temp_data = dout_data + b_data;
        2'b10:temp_data = dout_data - b_data;
        default:temp_data = dout_data;
    endcase
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin : proc_dout_data
    if(~rst_n) begin
        result_data <= 0;
    end else if(is_read) begin
        result_data <= 'b0;
    end else if(status == WORK) begin
        result_data <= temp_data;
    end
end
assign dout_data = result_data;

endmodule

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