VerilogHDL实现除法操作

2023-11-06

硬件电路中实现除法操作一般基于两种方式:乘法操作和减法操作

基于减法的除法器

对于32位的无符号除法,被除数a除以除数b,他们的商和余数位数一定不超过32位。首先将a转换为32位,b也转换为32位。在每周期的开始,先将a左移一位,末尾补0,然后和b比较,如果大于b则a-b且加上1,否则继续往下执行移位、比较和减法。执行32次后结束,a的高32位即为余数,低32位为商

假设4bit的两数相除 a/b,商和余数最多只有4位 (假设1101/0010也就是13除以2得6余1)

我们先自己做二进制除法,则首先看a的MSB,若比除数小则看前两位,大则减除数,然后看余数,以此类推直到最后看到LSB;而上述算法道理一样,a左移进前四位目的就在于从a本身的MSB开始看起,移4次则是看到LSB为止,期间若比除数大,则减去除数,注意减完以后正是此时所剩的余数。而商呢则加到了这个数的末尾,因为只要比除数大,商就是1,而商0则是直接左移了,因为会自动补0。这里比较巧因为商可以随此时的a继续左移,然后新的商会继续加到末尾。经过比对会发现移4位后左右两边分别就是余数和商。
在这里插入图片描述
最终:a的高四位为余数 低四位为商

module divisionV1  
(  
input[31:0] a,   
input[31:0] b,  
input enable,
output reg [31:0] yshang,  
output reg [31:0] yyushu,
output reg done 
);  
  
reg[31:0] tempa;  
reg[31:0] tempb;  
reg[63:0] temp_a;  
reg[63:0] temp_b;  
  
integer i;  
  
always @(a or b)  
begin  
    tempa <= a;  
    tempb <= b;  
end  
  
always @(tempa or tempb)  
begin  
if(enable)
  begin
    temp_a = {32'h00000000,tempa};  
    temp_b = {tempb,32'h00000000};  
    done = 0; 
    for(i = 0;i < 32;i = i + 1)  
        begin  
            temp_a = {temp_a[62:0],1'b0};  
            if(temp_a[63:32] >= tempb)  
                temp_a = temp_a - temp_b + 1'b1;  
            else  
                temp_a = temp_a;  
        end  
  
    yshang = temp_a[31:0];  
    yyushu = temp_a[63:32]; 
    done = 1; 
  end
end  
  
endmodule

测试模块


module tb_division(); 
  
reg [31:0] a;  
reg [31:0] b; 
reg enable; 
wire [31:0] yshang;  
wire [31:0] yyushu;  
wire done;


divisionV1 U1  
(  
	.a (a),  
	.b (b),  
	.enable(enable), 
	.yshang (yshang),  
	.yyushu (yyushu),
	.done(done)  
);  

initial  
begin  
enable=1;
    #10 a = 443525;  
        b = 32;  
end  
 
endmodule

结果显示:
在这里插入图片描述

可以根据上述组合逻辑实现时序逻辑除法的操作。

`timescale 1ns / 1ps

module divisionV2(
	input clk,rst_n,en,      //en为使能信号,使能时进行除法操作
	input [3:0] a,
	input [3:0] b,
	output [3:0] yushu,
	output [3:0] shangshu
    );


parameter S1 = 4'b0000;
parameter S2 = 4'b0001;
parameter S3 = 4'b0010;
parameter S4 = 4'b0100;
reg [3:0] Cstate;
reg [3:0] Nstate;

reg [7:0] temp_a;
reg [7:0] temp_b;
reg [5:0] i;
reg done;               //除法计算结束后,产生done信号

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) begin
		Cstate <= S1;
	end
	else
		Cstate <= Nstate;
end

always @(*) begin
	case(Cstate)
		S1:begin
			if(en) 
				Nstate <= S2;
			else
				Nstate <= S1;
		end
		S2:begin
			if(i<4)
				Nstate <= S3;
			else
				Nstate <= S4;
		end
		S3:begin
			Nstate <= S2;
		end
		S4:begin
			Nstate <= S1;
		end
		
	endcase
end


always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) begin
		i <= 6'd0;
		done <= 0;
		temp_a <= 8'd0;
		temp_b <= 8'd0;
	end
	else begin
		case(Cstate)
			S1:begin   
					done <= 0; 
					temp_a <= {4'b0,a};    //初始值为 0000_1111
					temp_b <= {b,4'b0};
			end
			S2:begin  //0001
					i <= i+1;
					temp_a <= {temp_a[6:0],1'b0};
			end
			S3:begin  //0010 
				if(temp_a > temp_b) begin
					temp_a <= temp_a - temp_b + 1'b1;
				end
				else
					temp_a <= temp_a;
			end
			S4:begin  //11
				i <= 6'd0;
				done <= 1;
			end
	
		endcase
	end
end
assign yushu=(Nstate == S4)?temp_a[7:4]:4'd0;
assign shangshu=(Nstate == S4)?temp_a[3:0]:4'd0;
endmodule

测试向量

`timescale 1ns / 1ps

module tb_divisionV2;

	// Inputs
	reg clk;
	reg rst_n;
	reg [3:0] a;
	reg [3:0] b;
	reg en;
	// Outputs
	wire [3:0] yushu;
	wire [3:0] shangshu;

	// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
	divisionV2 uut (
		.clk(clk), 
		.rst_n(rst_n), 
		.en(en),
		.a(a), 
		.b(b), 
		.yushu(yushu), 
		.shangshu(shangshu)
	);

always #10 clk = ~clk;
	initial begin
		// Initialize Inputs
		clk = 0;
		rst_n = 0;
		a = 0;
		b = 0;
		en = 0;
		// Wait 100 ns for global reset to finish
		#100  rst_n = 1;
		en = 1;
        a = 4'd14;
			  b = 4'd3;
		#600 en = 0;
		// Add stimulus here

	end
      
endmodule

在这里插入图片描述

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