數(shù)值計(jì)算中Bcd碼校驗(yàn)電路的分析與設(shè)計(jì)

引言

　　微處理器的工作過程是大量數(shù)據(jù)的輸入--運(yùn)算--輸出的過程，其中相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)使用十進(jìn)制形式表達(dá)。使用者希望微處理器的輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果能使用十進(jìn)制形式表達(dá)，而在微處理器內(nèi)采用二進(jìn)制表示和處理數(shù)據(jù)更方便，所以在二者之間的數(shù)制轉(zhuǎn)換是必要的。通常采用兩種方式解決這一問題。

　　方法1：十--二進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路將輸入的十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，微處理器內(nèi)部算術(shù)邏輯單元仍然執(zhí)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)運(yùn)算微操作，運(yùn)算結(jié)果再進(jìn)行二--十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，將結(jié)果以十進(jìn)制形式輸出。

　　方法2：算術(shù)邏輯單元對二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理能力的前提下，增加少量硬件線路，使之對某種二進(jìn)制編碼形式表示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)具有直接處理能力，該算術(shù)邏輯單元能夠接收特定二進(jìn)制編碼構(gòu)成的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生相同編碼組成的計(jì)算結(jié)果，在數(shù)據(jù)處理過程中該單元執(zhí)行十進(jìn)制數(shù)據(jù)運(yùn)算微操作。

　　微處理器使用中涉及大量的數(shù)據(jù)輸入輸出操作，顯然方法1不是理想的選擇，因而從提高機(jī)器的運(yùn)行效率，簡化機(jī)器結(jié)構(gòu)和保證系統(tǒng)時(shí)序結(jié)構(gòu)的規(guī)整性考慮，方法2更有實(shí)用價(jià)值。所以本文講述了方法2為算法依據(jù)的BCD加減電路。

　　校驗(yàn)原理

　　在計(jì)算機(jī)得數(shù)值計(jì)算中，數(shù)值經(jīng)常是以Bcd碼表示的十進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算的。即一位BCD碼用4位二進(jìn)制位表示。但是BCD的加法需要兩個(gè)加法器來完成，如果分析一下BCD數(shù)的加法過程，原因就很清楚。請看下面：

　　令A(yù)=1000,B=0111,這兩個(gè)數(shù)都是正確的BCD碼，如果兩個(gè)操作數(shù)直接相加，結(jié)果不是一個(gè)BCD碼：

　　1000

　　＋ 0111

　　1111

　　正確的BCD碼加法運(yùn)算應(yīng)為1000＋0111＝（1）0101即8＋7＝15。其它BCD碼操作數(shù)運(yùn)算的結(jié)果也能產(chǎn)生不正確的BCD碼結(jié)果。實(shí)際上當(dāng)結(jié)果大于9或者有進(jìn)位時(shí)，就要進(jìn)行BCD的校驗(yàn)，以確保結(jié)果的正確性。

　　對于產(chǎn)生進(jìn)位得情況，加法器直接提供了二進(jìn)制的進(jìn)位輸出，即BCD修正信號Y=C.而對于結(jié)果大于9，需要修正的數(shù)為1010－1111。

　　把它們作為四變量布爾表達(dá)式的最小項(xiàng)，就能化簡邏輯。即Y=E3E2+E3E1.其中E3 、E2、E1、E0是加法器的和的輸出。綜合以上結(jié)果可得BCD修正信號Y=E3E2+E3E1+C.修正電路如圖一所示。

　　下面就已四位并行加法器和一位串行加法器兩種電路形式來討論BCD碼的驗(yàn)證。

　　圖二所示為4位并行的BCD加法器電路。其中上面加法器的輸入來自低一級的BCD數(shù)字。下面加法器BCD的輸出E3、E2、E1、E0和COUT至高一級 BCD數(shù)字,其A3和A1位接地,即當(dāng)BCD校驗(yàn)信號為真時(shí)Y=1,A3A2A1A0= 0110,以實(shí)現(xiàn)加6的調(diào)整.當(dāng)不需要BCD調(diào)整時(shí)Y=0,此時(shí)A3A2A1A0=0000,從而使輸出結(jié)果無變化.

　　雖然4位并行加法器運(yùn)算速度較快，但是所用邏輯門較多。圖三所示為一位串行BCD加法器。它是以犧牲速度以達(dá)到減少硬件邏輯門的目的，這種電路在對頻率要求不高的系統(tǒng)中非常之適用。其中ADDER1、ADDER2均為一位全加器。ADDER1 做主運(yùn)算器,ADDER2做BCD校驗(yàn)運(yùn)算器，不管是否做BCD校驗(yàn)，ADDER2的初始進(jìn)位、借位始終為“1”。

　　圖三中Z型門為延時(shí)電路，延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期，這樣在外部電路控制下，經(jīng)過四個(gè)時(shí)鐘周期，得到一位十進(jìn)制BCD結(jié)果E3E2E1E0.由電路圖所以當(dāng) C+(E3E2+E3E1)邏輯值為‘1’時(shí)，控制多路選擇器選擇A通路（A通路為序列 1001），當(dāng)C+(E3E2+E3E1)為‘0’時(shí)，選擇B通路（B通路序列為1111），即需要校驗(yàn)時(shí)，多路選擇器輸出序列1001；不需要校驗(yàn)時(shí)，輸出序列1111，與Z型門的輸出對應(yīng)相加，并且ADDER2的初始進(jìn)位始終為‘1’，由此可完成BCD的校驗(yàn)工作。

　　下面是基于4位并行BCD加法器算法的一種快速BCD的加法器VERILOG硬件描述語言程序及其仿真結(jié)果。

　　module bcd_check (data_i,data_o,cy_i,cy_o,en,z_i,z_o);

　　input data_i;

　　input cy_i;

　　input z_i;

　　input en; //insructure

　　output cy_o;

　　output data_o;

　　output z_o;

　　wire [3:0] data_i;

　　wire cy_i;

　　wire en;

　　reg z_o;

　　reg cy_o;

　　reg [3:0] data_o;

　　//}} End of automatically maintained section

reg [4:0] TEM P_RESULT;

　　always @(data_i or cy_i or en )

　　if(en == 0)

　　begin

　　cy_o=cy_i;

　　data_o=data_i;

　　z_o=z_i;

　　end

　　else

　　begin

　　if(data_i[3]&&data_i[1] ||(data_i[3]&&data_i[2]) || cy_i==1)

　　TEMP_RESULT = {1'b0,data_i } + {1'b0,4'b0110 } + cy_i;

　　else

　　begin

　　TEMP_RESULT[3:0]=data_i;

　　TEMP_RESULT[4]=cy_i;

　　end

　　data_o = TEMP_RESULT[3:0];

　　z_o = | TEMP_RESULT[3:0];

　　cy_o = TEMP_RESULT[4];

　　end

　　例如：兩個(gè)十進(jìn)制數(shù)2189＋8075的正確結(jié)果應(yīng)為11064，可是，相加運(yùn)算后的結(jié)果為FEH,為此應(yīng)進(jìn)行BCD調(diào)整。將為經(jīng)校驗(yàn)的相加結(jié)果 0010，1001，1000，1001（十進(jìn)制2989）＋1000，0000，0111， 0101（十進(jìn)制8075）＝1010，1001，1111，1110代人上述BCD校驗(yàn)?zāi)K，可得仿真結(jié)果如圖四。