Xilinx提供了一項(xiàng)強(qiáng)大的用戶(hù)界面軟件工具FPGA Editer，可以通過(guò)手動(dòng)編輯和修改FPGA最基本的標(biāo)準(zhǔn)單元slice結(jié)構(gòu)，使其符合所需要的邏輯。圖3左邊是一個(gè)WALLACE TREE 6：4壓縮的整體結(jié)構(gòu)，右邊是實(shí)現(xiàn)架構(gòu)中一個(gè)6：4壓縮的FPGA內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)單元slice。slice電路中虛線是器件原有的預(yù)布線，實(shí)線是根據(jù)實(shí)際電路邏輯手動(dòng)編輯后slice內(nèi)部電路布線。根據(jù)上一面的推導(dǎo)式(5)～(8)，slice內(nèi)部的2個(gè)查找表(LUT)單元被配置成2輸入異或門(mén)單元。為了使整體WALLACE TREE布線齊整，還將式(7)直通邏輯實(shí)現(xiàn)也在該級(jí)slice壓縮器中完成，其中輸入電平A1B2經(jīng)過(guò)2個(gè)MUX和一個(gè)配置為1的常有效LATCH輸出到

，形成一個(gè)直通電路。

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　　從圖3可以看出，WALLACE TREE的6：4壓縮器單元只用一個(gè)slice就可以實(shí)現(xiàn)。而幾乎所有Xilinx的FPGA器件內(nèi)部slice結(jié)構(gòu)都類(lèi)似，因此該6：4壓縮器在基本的FPGA器件中都可以通過(guò)此手動(dòng)編輯方法實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)可供頂層WALLACETREE邏輯調(diào)用的硬宏模塊。

　　4 乘法器的FPGA實(shí)現(xiàn)和仿真

　　在頂層乘法器WALLACE TREE邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)描述語(yǔ)言模塊例化來(lái)調(diào)用前面手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的6：4壓縮器，可將slice壓縮模塊看成一個(gè)FPGA中固有的IP硬宏模塊，調(diào)用方法與使用FPGA器件內(nèi)部的其他IP沒(méi)有區(qū)別。在FPGA Editer中對(duì)各個(gè)模塊相互位置按樹(shù)的層次和數(shù)字邏輯順序進(jìn)行約束排列，形成一個(gè)約束文件。這樣FPGA芯片面積資源不僅得到充分的利用，在時(shí)序方面也會(huì)減小關(guān)鍵路徑的時(shí)延，提高時(shí)鐘頻率。

　　該乘法器的末級(jí)加法器要把WALLACE TREE得到的最后2個(gè)部分積快速的相加得到最終結(jié)果。末級(jí)加法器的實(shí)現(xiàn)方法有CPA(Carry Propaga tion Adder)，該加法器的利用超前進(jìn)位，可以使進(jìn)位鏈這個(gè)關(guān)鍵路徑的時(shí)序在邏輯上層次減小。但該加法器在FPGA綜合實(shí)現(xiàn)后形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，帶來(lái)的是利用了很大的布局面積和布線資源。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)中以其特有縱向結(jié)構(gòu)的超級(jí)進(jìn)位鏈，可將進(jìn)位的器件延時(shí)和布線延時(shí)優(yōu)化。可以利用該進(jìn)位鏈，合理進(jìn)行布局約束優(yōu)化，使進(jìn)位鏈路徑時(shí)序減小。實(shí)踐表明，在16×16的加法器中，該進(jìn)位鏈的時(shí)延只有6 ns左右，大大減小了整個(gè)乘法器關(guān)鍵路徑延時(shí)。在圖4中列出了本設(shè)計(jì)的FPGA布局布線布局布線后仿真結(jié)果。該結(jié)果在XILINX-Virtex5-VC5VSX35T器件中運(yùn)行，通過(guò)ModelSim仿真輸出采集。multin_a和multin_b分別是16位乘數(shù)，acc_out是相乘后輸出的32位結(jié)果，rst_n是復(fù)位清0信號(hào)。整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言采用Verelog語(yǔ)言，其中例化了預(yù)先用FPGA Editer工具設(shè)計(jì)好的6：4硬宏壓縮模塊。

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　　圖5給出了WALLACE TREE乘法器設(shè)計(jì)的XILLNX-Virtex5-VC5VSX35T器件實(shí)際運(yùn)行性能參數(shù)。該結(jié)果是FPGA器件以系統(tǒng)時(shí)鐘為120 MHz運(yùn)行時(shí)，通過(guò)XILLNX公司ISE套裝軟件ChipScope采集獲取的數(shù)據(jù)。圖中，unt1和unt2采用FPGA內(nèi)部一個(gè)測(cè)試計(jì)數(shù)器輸出的16位無(wú)符號(hào)乘數(shù)，將其輸入WALLACE TREE乘法器運(yùn)算后，得到一組32位乘積結(jié)果。該實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的乘法器能工作正常工作在120 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的條件下，其實(shí)現(xiàn)電路關(guān)鍵路徑的延時(shí)小于8.33ns。

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　　表1分別列出了16×16，24×24位乘法器在FPGA中用工具默認(rèn)方法和本文方法生成的資源和時(shí)序?qū)φ請(qǐng)D?？梢钥闯?，本文的結(jié)構(gòu)更合理，資源和速度都得到了一定程度的優(yōu)化。

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　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文根據(jù)FPGA內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)，提出了一種改進(jìn)的WALLACE TREE 6：4壓縮器的新型邏輯結(jié)構(gòu)，并用Xilinx提供的工具套件FPGA Edi-ter實(shí)現(xiàn)了該壓縮器單元。結(jié)合乘法器在FPGA中的仿真表明，該結(jié)構(gòu)的乘法器在提高系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率和節(jié)省布局布線方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。