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標(biāo)題: 怎樣測(cè)量加法器的速度?器件延遲的時(shí)間長(zhǎng)度 [打印本頁(yè)]

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-10-31 18:28
標(biāo)題: 怎樣測(cè)量加法器的速度?器件延遲的時(shí)間長(zhǎng)度
第一章：設(shè)計(jì)

      經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)，行波進(jìn)位加法器RCA和超前進(jìn)位加法器CLA后。
      自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)八位二進(jìn)制加法器。
      經(jīng)過(guò)分析，二進(jìn)制加法，可以分成三種情況。

      A：最特殊情況，兩個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)的相同位，不同時(shí)為1，這樣就不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位。
      B：特殊情況，兩個(gè)數(shù)相加，產(chǎn)生進(jìn)位C，但是更高一位的S是0。
      Ω：普通情況，產(chǎn)生進(jìn)位后，需要繼續(xù)進(jìn)位的情況。
      對(duì)于A：8個(gè)半加器就可以輸出正確答案。
      對(duì)于B：8個(gè)半加器輸出S和C，用Cn和Sn+1異或，就可以輸出正確答案。
      對(duì)于Ω：就需要發(fā)現(xiàn)規(guī)律。
      當(dāng)?shù)臀籆向高位S進(jìn)位時(shí)，有兩種情況。
      S=0，則直接進(jìn)位。
      S=1，則本位異或?yàn)?，進(jìn)位C向更高位，繼續(xù)進(jìn)位，直到遇見(jiàn)S=0。
      所以需要一種靈活的電路，當(dāng)S=1時(shí)，能夠把低位C搬運(yùn)到高位去。
      把S組成的0111結(jié)構(gòu)稱(chēng)為段，C=0時(shí)，異或出結(jié)果0111。C=1時(shí)，異或出結(jié)果1000。進(jìn)位將是向段進(jìn)位的。
      下圖就是最終電路設(shè)計(jì)。使用八個(gè)串聯(lián)的傳輸門(mén)，由各位的S控制通斷，靈活分配進(jìn)位C。

      由于低位C為1，向高位進(jìn)位，S為0時(shí)，N邏輯傳輸門(mén)截止，P邏輯傳輸門(mén)導(dǎo)通，本位C可以通過(guò)P邏輯傳輸門(mén)進(jìn)入到下級(jí)異或門(mén)參與運(yùn)算得到運(yùn)算結(jié)果；當(dāng)S為 1時(shí)，N邏輯傳輸門(mén)導(dǎo)通，P邏輯傳輸門(mén)截止，此時(shí)本位C無(wú)法參與下級(jí)異或門(mén)運(yùn)算，低位C則可以通過(guò)N邏輯傳輸門(mén)進(jìn)入下級(jí)異或門(mén)參與運(yùn)算，直到遇到S=0時(shí) 停止。低位C和段內(nèi)S異或運(yùn)算，得到計(jì)算結(jié)果。依次從低位到高位看S的值，從S為1開(kāi)始到S為0，稱(chēng)之為一段，此段內(nèi)的所有C都會(huì)被低位C（本級(jí)S為1的上一級(jí)C）“覆蓋”，結(jié)果為新C。當(dāng)S出現(xiàn)極端情況0111...0結(jié)構(gòu)的段時(shí)，最低位的C覆蓋所有高位C參與運(yùn)算。
      計(jì)算機(jī)是如何計(jì)算的（視頻有利于理解設(shè)計(jì)）
      1探索篇
      2設(shè)計(jì)篇
      3優(yōu)化篇
      第二章：proteus驗(yàn)證。示波器測(cè)延遲
      經(jīng)過(guò)Proteus 7.8的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的加法器，能夠計(jì)算出正確結(jié)果。
      使用虛擬示波器測(cè)出RCA和SCA（本設(shè)計(jì)）的延遲時(shí)間：

加法器延遲	4位	8位	16位	32位
RCA	1.3微秒	1.64微秒	2.4微秒	3.8微秒
SCA	1.4微秒	1.4微秒	1.4微秒	1.4微秒

RCA：

SCA：

      以上是，Proteus7.8的測(cè)試結(jié)果
      第三章：multisim驗(yàn)證。示波器測(cè)延遲
      使用multisim 14的虛擬示波器測(cè)出RCA和SCA（本設(shè)計(jì)）的延遲時(shí)間：

加法器延遲	4位	8位	16位
RCA	723納秒	1439納秒	2879納秒
SCA	454納秒	454納秒	454納秒

RCA：

SCA：

      以上是，multisim 14的測(cè)試結(jié)果
      第四章：PCB實(shí)物驗(yàn)證延遲
      由于模擬軟件的延遲測(cè)試，僅僅只能參考。
      計(jì)劃利用74HC系列芯片，制作出RCA和SCA（本設(shè)計(jì)）的PCB電路板。使用示波器對(duì)兩種加法器進(jìn)行對(duì)比。
      SCA-4示波器測(cè)延遲：

RCA-4示波器測(cè)延遲：

實(shí)物圖：

      中間兩行是輸入開(kāi)關(guān)，為A1-4,B1-4D的輸入，SW9為Cin。
      上半部分的5顆芯片，組成RCA-4，
      下半部分的6顆芯片，組成SCA-4。LED輸出結(jié)果。
      開(kāi)關(guān)向右波動(dòng)為3V，開(kāi)關(guān)向左波動(dòng)為0V。
      圖中A為1111，B為0000。輸出LED顯示1111。
      結(jié)果正確。
      已經(jīng)試過(guò)所有的4位加法，全部正確。

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-10-31 18:29
雖然通過(guò)protues7.8和multisim14的虛擬示波器測(cè)試了加法器速度。
但還是做出來(lái)pcb板，用真實(shí)的示波器測(cè)延遲了，但用的不好！也不會(huì)讀數(shù)！
我接下來(lái)該怎么辦（準(zhǔn)確測(cè)量加法器速度的快慢）？
是使用Verilog時(shí)序仿真，還是怎么搞？希望大家給點(diǎn)建議！謝謝了！

作者: Hephaestus 時(shí)間: 2022-10-31 21:48
我覺(jué)得你的做法真沒(méi)什么實(shí)際意義，跟74系列小規(guī)模集成電路搭建CPU一樣無(wú)聊。

弄一個(gè)FPGA開(kāi)發(fā)板，就算你不會(huì)Verilog也沒(méi)問(wèn)題，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)軟件都是支持原理圖的，也就是說(shuō)你在仿真軟件里面畫(huà)的那些圖，在FPGA軟件里面一樣可以畫(huà)，下載后，一樣可以用萬(wàn)用表來(lái)驗(yàn)證。

我覺(jué)得你實(shí)在是跑偏了，周?chē)蜎](méi)有懂點(diǎn)的人告訴你么？大學(xué)里面思路寬廣的人太多了，你是畢業(yè)了吧？

作者: wufa1986 時(shí)間: 2022-11-1 07:54
你這只是理論而已

作者: yzwzfyz 時(shí)間: 2022-11-1 11:12
速度 = 距離/時(shí)間。
對(duì)于命題而言實(shí)際上是時(shí)間長(zhǎng)短，而不存在距。
時(shí)間的長(zhǎng)短認(rèn)定，必須有起點(diǎn)和終點(diǎn)。
1、時(shí)間起始點(diǎn)在何處？
2、時(shí)間終止點(diǎn)在何處？
方案：
起點(diǎn)認(rèn)定，需要你加一個(gè)信號(hào)，即認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)穩(wěn)定了，被確認(rèn)的信號(hào)，建議用A、B栓鎖信號(hào)認(rèn)定。當(dāng)A、B全部被確定后（栓鎖），作為開(kāi)始信號(hào)。
終止認(rèn)定：應(yīng)當(dāng)是計(jì)算結(jié)果正確且穩(wěn)定后，才能認(rèn)定的終止。
應(yīng)該取8位輸出全部穩(wěn)定（不再變化）的時(shí)刻作為終止點(diǎn)。這需要你對(duì)各種輸入計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。取最不利的結(jié)果作為最終結(jié)果。

作者: 一事無(wú)成 時(shí)間: 2022-11-1 13:15
不太懂，據(jù)我所知，單純的Verilog好像看不出來(lái)實(shí)際延時(shí)，要結(jié)合用的器件才行，直接用電路搭的外部因素很多，和FPGA內(nèi)部也不一樣，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該是讓一次數(shù)據(jù)處理的時(shí)間在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，用流水線(xiàn)提高時(shí)鐘頻率，所有的運(yùn)算都可以砍成幾個(gè)步驟。
這么看來(lái)，只要提高時(shí)鐘頻率直到輸出錯(cuò)誤，應(yīng)該就可以算出延時(shí)。

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-1 13:50

Hephaestus 發(fā)表于 2022-10-31 21:48
我覺(jué)得你的做法真沒(méi)什么實(shí)際意義，跟74系列小規(guī)模集成電路搭建CPU一樣無(wú)聊。

弄一個(gè)FPGA開(kāi)發(fā)板，就算你 ...

我不認(rèn)識(shí)電子專(zhuān)業(yè)的人。
做pcb是為了證明實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)加法器功能，想用示波器測(cè)加法器的速度。

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-1 13:52

wufa1986 發(fā)表于 2022-11-1 07:54
你這只是理論而已

兩個(gè)仿真軟件和PCB，都證明了，加法器的功能是沒(méi)有問(wèn)題的。

仿真軟件的虛擬示波器，測(cè)試出的數(shù)據(jù)，也呈現(xiàn)出與理論相同的增長(zhǎng)比，就是不知道怎么更加精確的測(cè)量出加法器速度。

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-1 13:57

yzwzfyz 發(fā)表于 2022-11-1 11:12
速度 = 距離/時(shí)間。
對(duì)于命題而言實(shí)際上是時(shí)間長(zhǎng)短，而不存在距。
時(shí)間的長(zhǎng)短認(rèn)定，必須有起點(diǎn)和終點(diǎn)。

【對(duì)各種輸入計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比】8位+8位，有256*256種加法，速度是不相同的。
但是一般可以分析出最大路徑的那個(gè)，就能代表其他了。

我現(xiàn)在是不會(huì)用示波器，也沒(méi)有一個(gè)精度很高的示波器。

作者: 1951387254 時(shí)間: 2022-11-1 14:23
速度 = 距離/時(shí)間。對(duì)于命題而言實(shí)際上是時(shí)間長(zhǎng)短，而不存在距。時(shí)間的長(zhǎng)短認(rèn)定，必須有起點(diǎn)和終點(diǎn)。 1、時(shí)間起始點(diǎn)在何處？ 2、時(shí)間終止點(diǎn)在何處？方案：起點(diǎn)認(rèn)定，需要你加一個(gè)信號(hào)，即認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)穩(wěn)定了，被確認(rèn)的信號(hào)，建議用A、B栓鎖信號(hào)認(rèn)定。當(dāng)A、B全部被確定后（栓鎖），作為開(kāi)始信號(hào)。終止認(rèn)定：應(yīng)當(dāng)是計(jì)算結(jié)果正確且穩(wěn)定后，才能認(rèn)定的終止。應(yīng)該取8位輸出全部穩(wěn)定（不再變化）的時(shí)刻作為終止點(diǎn)。這需要你對(duì)各種輸入計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。取最不利的結(jié)果作為最終結(jié)果。

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-1 14:40

1951387254 發(fā)表于 2022-11-1 14:23
速度 = 距離/時(shí)間。對(duì)于命題而言實(shí)際上是時(shí)間長(zhǎng)短，而不存在距。時(shí)間的長(zhǎng)短認(rèn)定，必須有起點(diǎn)和終點(diǎn)。 1、 ...

【取最不利的結(jié)果作為最終結(jié)果�！�
加法器里面有，最長(zhǎng)路徑的，這個(gè)是最慢的。只用測(cè)量這個(gè)的速度，就好了！

作者: Y_G_G 時(shí)間: 2022-11-1 15:14
你是做什么的?或者是說(shuō)你要做什么?為什么對(duì)"加法器速度"如此的執(zhí)著?
我個(gè)人認(rèn)為,這種古怪的問(wèn)題是由于新手剛剛學(xué)習(xí)某些專(zhuān)業(yè),基礎(chǔ)還沒(méi)有打好,然后就自己想當(dāng)然的去覺(jué)得應(yīng)該這么這么的,然后就冒出一個(gè)問(wèn)題來(lái)了
你仿真的時(shí)候,用的是理想元件,實(shí)際PCB的時(shí)候卻并不是理想元件,誤差肯定有的了
而且,你不會(huì)告訴我說(shuō),你用示波器不會(huì)看時(shí)間差吧?
而且,你這一堆操作的意義何在?是要看加法器的延時(shí)?還是說(shuō)問(wèn)題,本來(lái)就不是這個(gè)問(wèn)題,"加法器延時(shí)"只是你自己覺(jué)得應(yīng)該要看的?

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-1 17:04

Y_G_G 發(fā)表于 2022-11-1 15:14
你是做什么的?或者是說(shuō)你要做什么?為什么對(duì)"加法器速度"如此的執(zhí)著?
我個(gè)人認(rèn)為,這種古怪的問(wèn)題是由于新手 ...

我要做：一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和RCA一樣簡(jiǎn)單的，晶體管數(shù)量少的，速度比CLA快的加法器。

只需要簡(jiǎn)單的并聯(lián)，就能拼出32位，拼出64位的加法器，速度還要快過(guò)CLA【超前進(jìn)位加法器】

作者: Y_G_G 時(shí)間: 2022-11-1 19:24

Ele_insect 發(fā)表于 2022-11-1 17:04
我要做：一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和RCA一樣簡(jiǎn)單的，晶體管數(shù)量少的，速度比CLA快的加法器。

只需要簡(jiǎn)單的并聯(lián)，就 ...

你的專(zhuān)業(yè)是什么?
FPGA還是嵌入式?

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-1 19:46

Y_G_G 發(fā)表于 2022-11-1 19:24
你的專(zhuān)業(yè)是什么?
FPGA還是嵌入式?

機(jī)械。。。加法器功能，我已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。就缺最大延遲的測(cè)量了

作者: yzwzfyz 時(shí)間: 2022-11-2 10:22
【加法器里面有，最長(zhǎng)路徑的，這個(gè)是最慢的。只用測(cè)量這個(gè)的速度，就好了！】
1、電速如光速，最長(zhǎng)路徑能比其它路徑多幾何哉！如何證明它是最慢的。
2、即使是最短的路徑，如果其分布電容、電感大，也可能響應(yīng)是最慢的。
3、如果不做對(duì)比，你如何知道8個(gè)位，哪個(gè)位最慢。況且數(shù)字不同，結(jié)果不同，不可能每次都是某位最慢。
比如，第3位，本次計(jì)算結(jié)果與上次不相同，而其它位本次計(jì)算結(jié)果與上次相同（即沒(méi)有延時(shí)）！你能說(shuō)第3位最慢嗎？
4、許多變化還與鄰近的線(xiàn)路相關(guān)，當(dāng)相鄰的線(xiàn)路穩(wěn)定時(shí)，它不受干擾，而相鄰線(xiàn)路波動(dòng)時(shí)，它就被干擾了。也即不同的數(shù)據(jù)相加，某位受到的干擾不同，延時(shí)也會(huì)不同。要認(rèn)定哪一位延時(shí)最多，是需要做整體數(shù)據(jù)驗(yàn)證的。不是你所想像地線(xiàn)路最長(zhǎng)。

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-2 12:17

yzwzfyz 發(fā)表于 2022-11-2 10:22
【加法器里面有，最長(zhǎng)路徑的，這個(gè)是最慢的。只用測(cè)量這個(gè)的速度，就好了！】
1、電速如光速，最長(zhǎng)路徑能 ...

關(guān)于第一點(diǎn)：最長(zhǎng)路徑指的是門(mén)延遲最多的一條線(xiàn)，線(xiàn)延遲相對(duì)于門(mén)延遲要小很多！

關(guān)于第三點(diǎn)：不是8位對(duì)比的，8種情況。而是256*256=65536種情況（0到255分別加0到255），窮舉法測(cè)量，那就太多了，只能靠FPGA寫(xiě)出加法器，再通過(guò)程序進(jìn)行全面的測(cè)量時(shí)序了。

大致同意您的意見(jiàn)！
我現(xiàn)在應(yīng)該買(mǎi)一塊FPGA，然后寫(xiě)入我的設(shè)計(jì)，之后用程序測(cè)量嗎？（FPGA測(cè)出的數(shù)據(jù)符合現(xiàn)實(shí)嗎？）
這個(gè)好學(xué)嗎？我就只用這一部分的東西，比較簡(jiǎn)單的！

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-3 10:47
本帖最后由 Ele_insect 于 2022-11-3 11:19 編輯

文章中，Multisim 的SCA-4圖片錯(cuò)了！

作者: 風(fēng)吹過(guò)后 時(shí)間: 2022-11-6 21:01
加法器的速度翻倍，ALU的計(jì)算能力會(huì)不會(huì)翻倍？cpu的性能，能不能翻倍？

51單片機(jī)換上這個(gè)加法器，性能會(huì)翻倍嗎？

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-7 10:44

風(fēng)吹過(guò)后發(fā)表于 2022-11-6 21:01
加法器的速度翻倍，ALU的計(jì)算能力會(huì)不會(huì)翻倍？cpu的性能，能不能翻倍？

51單片機(jī)換上這個(gè)加法器，性能會(huì) ...

在微處理器芯片中，加法器是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的核心，同時(shí)也是微處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵部件。
加法器完成一次操作的周期，基本上決定了微處理器的主頻。加法器的速度和面積優(yōu)化對(duì)于整個(gè)CPU的性能來(lái)說(shuō)是非常重要的。為了加快加法器的執(zhí)行速度，減少加法器的面積，有必要對(duì)加法器的算法、結(jié)構(gòu)及電路的具體實(shí)現(xiàn)做深入的研究。
我現(xiàn)在就搞了一個(gè)晶體管數(shù)量少的，速度快的，S分段C覆蓋并行加法器。

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2022-11-16 09:34

Ele_insect 發(fā)表于 2022-11-7 10:44
在微處理器芯片中，加法器是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的核心，同時(shí)也是微處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵部件。
加法 ...

我自己覺(jué)得，這個(gè)加法器挺好的，能加快ALU的計(jì)算速度，提升CPU性能！

作者: Ele_insect 時(shí)間: 2023-5-8 09:40

Ele_insect 發(fā)表于 2022-11-16 09:34
我自己覺(jué)得，這個(gè)加法器挺好的，能加快ALU的計(jì)算速度，提升CPU性能！

其實(shí)GPU的流處理器數(shù)量更多！我的2070顯卡，就有2300個(gè)流處理器，也就是說(shuō)，一個(gè)顯卡里面可能會(huì)使用近萬(wàn)個(gè)加法器！

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