说明
本文基于FPGA和CPLD器件，采用非流水线和流水线技术实现8位加法器，并对比其Quartus II仿真结果和波形时序。
器件选择：
Stratix：EP1S40F1020C5(FPGA)
MAX7000S：EPM7064SLC44-5(CPLD)
实验一 FPGA实现8位加法器
程序清单：
1 /*******************8位加法器(非流水线)***********************/ 2 module adder_nonpipe(cout, sum, ina, inb, cin, enable); 3 4 output cout; 5 output [7:0] sum; 6 input [7:0] ina, inb; 7 input cin, enable; 8 9 reg cout;10 reg [7:0] sum;11 reg [7:0] tempa, tempb;12 reg tempc;13 14 always @(posedge enable)15 begin16 tempa = ina;17 tempb = inb;18 tempc = cin;19 end20 21 always @(posedge enable)22 begin23 {cout,sum} = tempa + tempb + tempc;24 end25 26 endmodule Compilation编译报告如图1所示：
图1 8位加法器(非流水线/FPGA)编译结果
RTL Viewer 提供设计的逻辑门级原理图和层次结构列表，列出整个设计网表的实例、基本单元、引脚和网络。可过滤显示在视图上的信息，浏览设计视图的不同页面来检查设计并确定应当作的更改。实验一的RTL原理图如图2所示：
图2 8位加法器(非流水线/FPGA)RTL Viewer
Technology Map Viewer 提供设计的底层或基元级特定技术原理表征。它包括一个原理视图，以及一个层次列表，列出整个设计网表的实例、基本单元、引脚和网络。实验一的Techology Map Viewer结果如图3所示：
图3 8位加法器(非流水线/FPGA)Techology Map Viewer
Simulation仿真波形如图4所示：
图4 8位加法器(非流水线/FPGA)仿真图
实验二 FPGA实现8位加法器(采用2级流水线)
程序清单：
1 /*******************8位2级流水加法器*************************/ 2 module adder_pipeline(cout, sum, ina, inb, cin, enable); 3 4 output cout; 5 output [7:0] sum; 6 input [7:0] ina, inb; 7 input cin, enable; 8 9 reg cout;10 reg [7:0] sum;11 12 reg [3:0] tempa, tempb, firsts;13 reg firstc;14 always @(posedge enable)15 begin16 {firstc,firsts} = ina[3:0] + inb[3:0] + cin;17 tempa = ina[7:4]; //高4位输入寄存，使其与sum低4位在下级流水线同步输入。 tempb = inb[7:4]; //否则sum的高4位，与低四位分两个时钟周期输出18 end19 20 always @(posedge enable)21 begin22 {cout,sum[7:4]} = tempa + tempb + firstc;23 sum[3:0] = firsts; //不能合并为{cout, sum} = {tempa + tempb + firstc, firsts}; 位宽不匹配24 end25 26 endmodule 另一个可用版本主体代码如下：
1 reg [4:0] tempa,tempb; 2 reg [3:0] firsts; 3 reg firstc; 4 5 always @(posedge enable) begin //低4 位相加; 6 { firstc, firsts} = {ina[3], ina[3:0]} + {inb[3], inb[3:0]} + cin ; 7 tempa = {ina[7], ina[7:4]}; //似乎应该高位补零即{1’b0, ina[7:4]};才对 8 tempb = {inb[7], inb[7:4]}; 9 end 10 11 always @(posedge enable) begin //高4 位相加，并连成8位 12 {cout, sum} = {tempa + tempb + firstc, firsts} ; 13 end 注：设ina为Mbit，inb为Nbit，则{cout, sum}=a+b为M+N+1位，其中cout占1位，sum为M+N位。
编译后Total Logic Element为24个。
RTL原理图如图5所示：
图5 8位加法器(2级流水线/FPGA)RTL Viewer
Techology Map Viewer结果如图6所示：
图6 8位加法器(2级流水线/FPGA)Techology Map Viewer
Simulation仿真波形如图7所示：
图7 8位加法器(2级流水线/FPGA)仿真图
实验三 CPLD实现8位加法器
程序清单(单always)：
1 /*******************8位加法器(非流水线)***********************/ 2 module adder_nonpipe(cout, sum, ina, inb, cin, enable); 3 4 output cout; 5 output [7:0] sum; 6 input [7:0] ina, inb; 7 input cin, enable; 8 9 reg cout;10 reg [7:0] sum;11 12 always @(posedge enable)13 begin14 {cout,sum} = ina + inb + cin;15 end16 17 endmodule 将Device替换为CPLD器件。在Project Navigator->Hierarchy窗口器件处右键->Device，即可打开器件选择框，选择所需的器件确定即可。此处选择"MAX7000S：EPM7064SLC44-5"。
Compilation编译报告如图8所示：
图8 8位加法器(非流水线/CPLD)编译结果
Simulation仿真波形如图9所示：
图9 8位加法器(非流水线/CPLD)仿真图-1
接着考虑双always形式的加法器(程序同实验一，仅器件不同)：
Compile编译后，Total Macrocell为42个。
仍采用周期为10ns的时钟enable，仿真结果如图10所示：
图10 8位加法器(非流水线/CPLD)仿真图-2
显然sum值不正确。
展开Compilation Report下面的Timing Analyzer，多了一项Clock Setup ‘enable’。从右侧报告窗口可观察到最长(最差时序)路径需要13.5ns，对应fmax为74.07MHz，也就是最高工作频率。
图11 8位加法器(非流水线/CPLD)时序分析结果
将时钟周期改为13.5ns，重新运行仿真，结果如图12所示：
图12 8位加法器(非流水线/CPLD)仿真图-3
注意：
- 单always程序中时钟周期10ns，结果也正确。同时Timing Analysis下不存在Clock Setup ‘enable’，Timing Analysis Tool也无法激活。
- 单always程序中，{cout,sum} = tempa + tempb + tempc;的阻塞赋值改为非阻塞赋值，结果并无变化。
- 若用FPGA器件实现单always程序，则波形完全正确，如图13所示：
图13 8位加法器(非流水线/CPLD)仿真图-4
这也符合通常习惯，即一个时钟沿周期采样，下一个时钟沿输出。
实验四 CPLD实现8位加法器(采用2级流水线)
程序同实验二，器件选择同实验三。
编译后Total Macrocell为32个。
在Timing Analyzer详细报告窗口可观察到那些影响周期恶化的最差时序路径，根据这些信息可找出关键路径并进行时序分析。图14显示Clock Period为9.700ns，Frequency为103.09MHz。
图14 8位加法器(非流水线/CPLD)时序分析结果
观察第一条路径的时序报告，如图15所示：
图15 8位加法器(2级流水线/CPLD)时序报告(局部)
时钟周期为10ns时，仿真波形如图16所示：
图16 8位加法器(2级流水线/CPLD)仿真图
该波形与实验三单always程序波形最主要的差别在于，sum=01001010之后一个周期的值是否正确。
当时钟周期取10ns时，仿真波形与实验三双always程序波形相同，但最高工作频率却由74.07 MHz提高到103.09MHz。可见最高工作频率(系统工作速度)不能单纯由仿真波形判断。
总结
1. FPGA中1个逻辑单元(Logic Element )相当于CPLD中0.78个宏单元(MacroCell).
2. Quartus II中FPGA器件编译速度比CPLD慢得多。
3. Stratix的最高工作频率大于MAX7000S的的最高工作频率。如实验一二中Timing Analysis Tool均显示Frequency为Restricted to 422.12 MHz(这时不易比较采用流水线和非流水线的最高频率)。
4. 比较实验一(非流水线)和实验二(流水线)的RTL原理图及工艺映射图，可清楚地看到，流水线技术的本质是在组合逻辑之间插入寄存器，暂存前面的运算结果或输入数据，并在下一个时钟到来时将寄存值作为后一级运算的输入。将流水线规则应用于FPGA中，只需要很少或根本不需要额外的成本。这是因为每个逻辑单元都包含两个触发器，大多数情况下这两个触发器或者没有用到，或者用于存储布线资源，那么就可利用其来实现流水线结构。若采用流水线后，加法器速度仍不能满足需要，可采用串并转换来进一步提高计算的并行度。