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详细分析Verilog编写程序测试无符号数和有符号数的乘法
来源:kok平台 | 作者:kok平台买球赛hiveyan | 发布时间: 2021-08-06 22:25:22 | 16 次浏览 | 分享到:

  时,需要涉及到有符号数的加法和乘法,在之前的程序中我把所有的输入输出和中间信号都定义成有符号数,这样在计算时没有出现问题(实际在之前的程序中遇到了问题,最后滤波结果不对,博客的程序是已经改正过的),下面实际试验一下 Verilog 的乘法问题;

  编写程序如下,其中,乘法的两个乘数分别是无符号、有符号的四种组合,输出的积也是分为无符号和有符号,共计 8 种可能;

  可以看到,输出的积和符号无关,有符号数和无符号数实际上是同一个数,只看我们怎么定义它,比如乘积是 16 位的二进制 16’b1100_0000_0000_0011,当我们认为它是无符号数是,最高位的 1 就不是符号位,而是 2^15(2的15次方),这样这个数代表的十进制是 2^15 + 2^14 + 2^1 + 2^0 = 49155;

  如果把 16 位的二进制 16’b1100_0000_0000_0011 当成是一个有符号数来看,那么最高位是符号位,且剩下的数据时原来的数据二进制表示后取反再加1(补码表示),要计算它对应的十进制数

  (1) 在 0 ~ 400 ns,仿真中使用十六进制赋值相同的十六进制数据给乘数,让乘数分别以无符号数和有符号数进行读取,可以看到对 8’hff(对应二进制 8’b1111_1111)以无符号数读取时是按照 原码 读取,对应十进制 255,以有符号数读取时是按照补码读取,按照上文所说的去掉符号位后取反、加1再计算十进制得 -1;

  (2) 直接赋值十进制数据,乘数在以无符号数读取时时按照原码读取,127就对应 8 位二进制数 8’b0111_1111,十进制 128 就对应 8 位二进制 8’b1000_0000;而以有符号数读取的时候是会直接转换为补码形式,如 -127,先去掉符号位是 127,对应 7 位二进制数 7’b111_1111,取反为 7’b000_0000,加 1 为 7’b000_0001,将符号位补回到最高位为 8’b1000_0001;对于 -128 的表示比较特殊,8-bit的二进制数最高位是符号位,表示正负,剩下的 7-bit 能够表示的数的范围是 0 ~ 127,前面加上 ± 就能表示 -127 ~ 127,其中有 2 个数很特殊就是 8’b0000_0000 和 8’b1000_0000,按照上面会出现 +0 和 -0,为了区分出这两个数,前人定义 8’b0000_0000 表示 0,而 8’b1000_0000 表示 -128,这样不仅能区分开两个数,还多表示了一个数 -128(整个计算机体系通用,其他位数时类似表示一个负数);

  (3) 实际上,观察下图数据可以发现,只有data_out_000 和 data_out_111 的数据时全部计算正确的,这也符合常理:

  这样也就解释了 0 ~ 400 ns 时的 data_out_001 和 data_out_010 的计算结果和 data_out_000 完全一致,它们都是把赋值的 8 位十六进制数当做无符号数计算的(这里不存在十进制到二进制原码、补码换算的问题,因为给的是十六进制);

  当后面设计输入输出时,如果是有符号,那么将相关计算的输入/输出和中间量都显式的用 signed 定义;

  前面说的计算时将涉及到的相关量全部定义为有符号数是一种计算方法,此外,通常情况下可能会定义的无符号数,但是实际传入的是有符号数,比如下面的输入和输出都没有指定成 signed 有符号数,计算时默认是按照无符号数计算(实际上我感觉是把读取到的 8 位二进制数当做原码去算),此时若外部传入的数据实际上是有符号数(比如 FIR 滤波器传入了正负均有的待滤波信号),那么需要对符号位进行扩展来计算乘法和加法;

  对于乘法,需要扩展符号位 到 和积的位数相等,比如乘数a为 N-bit,乘数 b 为M-bit,两个相乘得到 N+M 位数据,此时需要对 a 扩展 M-bit 到 N+M 位,对 b 扩展 N-bit 到 N+M 位;

  仿线 处用十六进制给出数据,2 处用有符号的十进制赋值,3 处是为了和 2 处对比,看最后赋值是否一样(看到有博客说 3 的赋值是错的,所以测试一下);

  仿真结果如下,可以看到上图 2 处和 3 处的赋值在仿真时是同样的数据,把所有数据都用有符号的十进制数显示(右键数据 Radix -》 Signed Decimal);

  可以看到,data_out_1的结果是错的(没有补符号位),data_out_2的结果是对的(补符号位);

  对有符号数的加法,同样的,要么相关的运算全部定义成有符号数,要么进行符号位的扩展,对于加法操作,只需要每个被加数扩展 1 位符号位即可;

  除此之外,还可以调用乘法器的 IP 来代替 乘法符号 *,或者加法器的 IP 来代替 加法符号 +,在 IP 核中配置输入输出为有符号数即可。

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  101是一款固定频率,单片,降压型开关稳压器,适用于汽车电池连接应用,必须在高达36V的输入电源下工作。该调节器适用于汽车驾驶员信息系统中经常遇到的低噪声和小外形要求的系统。 NCV890101能够将典型的4.5 V至18 V汽车输入电压范围转换为低至3.3 V的输出,并在高于敏感AM频段的恒定开关频率下工作,无需昂贵的滤波器和EMI对策。两个引脚用于同步切换到时钟或另一个NCV890101。 NCV890101还提供汽车电源系统中预期的多种保护功能,如电流限制,短路保护和热关断。此外,即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波 - 形成节省空间的开关稳压器解决方案。 特性 优势 2 MHz免费 - 运行开关频率 可以使用小尺寸,低成本的电感和EMC滤波器 内部N通道电源开关 低V IN 低至4.5 V的操作 高V IN 操作至36 V 承受负载转储到40 V 与其他NCV890101或外部时钟自动同步 逻辑电平启用输入可直接连接电池 1.4 A(min)逐周期峰值电流限制 通过频率折返增强短路保护 ±1.75%输出电压容差 输出电压可调低至...

  201是一款固定频率,单片,降压型开关稳压器,适用于汽车,电池连接应用,必须在高达36V的输入电源下工作。该调节器适用于汽车驾驶员信息系统中经常遇到的低噪声和小外形要求的系统。 NCV890201能够将典型的4.5 V至18 V汽车输入电压范围转换为低至3.3 V的输出,在高于敏感AM频段的恒定开关频率下,无需昂贵的滤波器和EMI对策。两个引脚用于同步切换到时钟或另一个NCV890201。 NCV890201还提供汽车电源系统中预期的多种保护功能,如电流限制,短路保护和热关断。此外,即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波 - 形成节省空间的开关稳压器解决方案。 特性 优势 2 MHz免费 - 运行开关频率 允许使用小型,低成本的电感和EMC滤波器 内部N通道电源开关 低V IN 低至4.5 V的操作 高V IN 操作至36 V 承受负载转储到40 V 与其他NCV890201或外部时钟自动同步 逻辑电平使能输入可直接连接电池 2.2 A(min)逐周期峰值电流限制 频率折返增强短路保护 ±1.75%输出电压容差 输出电压可调低至0.8 V ...

  50是一款单相同步降压稳压器,集成了功率MOSFET,可为VR12嵌入式CPU提供高效,紧凑的电源管理解决方案。该器件能够在带SVID接口的可调输出上提供高达14 A的TDC输出电流。工作在高达1.2 MHz的高开关频率允许采用小尺寸电感器和电容器,同时由于采用高性能功率MOSFET的集成解决方案而保持高效率。电流模式RPM控制与输入电源和输出电压的前馈确保稳定运行宽操作条件。 特性 优势 5V至20V输入电压范围 优化用于超极本和笔记本应用 带SVID接口的可调输出电压 可编程DVID前馈以支持快速DVID 集成栅极驱动器和功率MOSFET 小外形设计 500kH z~1.2MHz开关频率 减小输出滤波器尺寸和成本 输入电源电压和输出电压的前馈操作 快速线路瞬态响应和DVID转换 过流,过压/欠压和热保护 防止出现故障 5 V至20 V输入电压范围 0.9 V / 1.35 V固定启动电压 带SVID接口的可调输出电压 最多14个TDC输出电流 500 kHz~1.2 MHz开关频率 电流模式RPM控制 可编程SVID地址和I...

  NCV890131 汽车降压开关稳压器 1.2 A 2 MHz 45 V负载转储 同步输入和同步输出

  131是一款固定频率,单片,降压型开关稳压器,适用于汽车电池连接应用,必须使用高达32 V的输入电源。该调节器适用于汽车驾驶员信息系统中经常遇到的低噪声和小外形要求的系统。 NCV890131能够将典型的4.5 V至18 V汽车输入电压范围转换为低至3.3 V的输出,在高于敏感AM频段的恒定开关频率下,无需昂贵的滤波器和EMI对策。提供两个引脚以同步切换到时钟或另一个NCV890131。 NCV890131还提供汽车电源系统中预期的一些保护功能,如电流限制,短路保护和热关断。此外,即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波 - 形成节省空间的开关稳压器解决方案。 特性 优势 2 MHz免费 - 运行开关频率 可以使用小尺寸,低成本的电感和EMC滤波器 内部N通道电源开关 更少的外部组件 低V IN 操作向下4.5 V 维持电池瞬变期间的操作 高V IN 操作至32 V 在电池瞬变期间维持运行 承受负载转储至45 V 保护负载免受装载转储 逻辑电平启用输入可直接连接电池 灵活启用 1.4 A (min)逐周期峰值电流限制 防止过电流故障 通过频...

  203是一款固定频率,单片式降压开关稳压器,适用于汽车电池连接应用,必须使用高达36 V的输入电源。该调节器适用于汽车驾驶员信息系统中经常遇到的低噪声和小外形要求的系统。 NCV890203能够将典型的4.5 V至18 V汽车输入电压范围转换为低至3.3 V的输出,并在高于敏感AM频段的恒定开关频率下,无需昂贵的滤波器和EMI对策。当输出处于稳压状态时,复位引脚发出信号,并在RSTB信号变为高电平之前提供一个引脚来调整延迟。 NCV890203还提供汽车电源系统中预期的多种保护功能,如电流限制,短路保护和热关断。此外,即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波 - 形成节省空间的开关稳压器解决方案。 特性 内部N通道电源开关 低VIN操作低至4.5 V 高VIN操作至36 V 承受负载转储至40 V 2 MHz自由运行开关频率 使用可调延迟重置 逻辑电平使能输入可直接连接电池 2.2 A(分钟) )逐周期峰值电流限制 通过频率折返增强短路保护 ±1.75%输出电压容差 输出电压可调低至0.8 V 1.4毫秒内部软启动 热关机(TSD) ...

  100是一款固定频率,单片,降压型开关稳压器,适用于汽车,电池连接应用,必须使用高达36V的输入电源。该调节器适用于汽车驾驶员信息系统中经常遇到的低噪声和小外形要求的系统。 NCV890100能够将典型的4.5 V至18 V汽车输入电压范围转换为低至3.3 V的输出,在高于敏感AM频段的恒定开关频率下,无需昂贵的滤波器和EMI对策。 NCV890100还提供汽车电源系统中预期的一些保护功能,如电流限制,短路保护和热关断。此外,即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波 - 形成节省空间的开关稳压器解决方案。 特性 优势 2-MHz自由运行的开关频率 允许使用小尺寸,低成本的电感和EMC滤波器 内部N通道电源开关 低V IN 低至4.5 V的操作 高V IN 高达36 V的操作 承受负载转储到40 V 逻辑电平启用输入可直接连接电池 1.4 A(min)逐周期峰值电流限制 通过频率折返增强短路保护 ±1.75%输出电压容差 输出电压可调低至0.8 V 1.4 ms内部软启动 热关机(TSD) 低关机电流 汽车和其他需要...

  930是一款2 MHz固定频率低静态电流降压控制器,具有扩频,工作电压高达38 V(典型值)。它可以与时钟同步或分离NCV891930。峰值电流模式控制用于快速瞬态响应和宽输入电压和输出负载范围的严格调节。反馈补偿是设备内部的,允许设计简化。 NCV891930能够在高于敏感AM频段的恒定基极开关频率下,从3.5 V(启动期间为4.5 V)的汽车输入电压范围转换为18 V,无需昂贵的滤波器和EMI对策。对于20 V至38 V(典型值)的输入电压,开关频率可折叠回1 MHz。在高达45 V的负载突降条件下,调节器关闭。高压偏置调节器可自动切换到外部5 V偏置电源,以提高效率。提供多种保护功能,如UVLO,电流限制,短路保护和热关断。即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波,从而形成节省空间的开关解决方案。(NCV881930提供410 kHz版本) 特性 空载时30μA工作电流 75 mV电流限制感应 能够进行45 V负载转储 具有锁定的板可选固定输出电压 2 MHz工作频率同步能力 自适应非重叠电路 集成扩频 逻辑电平启用输入可以绑定直接电池 短路保护脉冲跳过 UV...

  49是一款单相同步降压稳压器,集成了功率MOSFET,可为新一代计算CPU提供高效,紧凑的电源管理解决方案。该器件能够在带SVID接口的可调输出上提供高达14A TDC的输出电流。在高达1.2MHz的高开关频率下工作,允许采用小尺寸电感器和电容器,同时由于采用高性能功率MOSFET的集成解决方案而保持高效率。具有来自输入电源和输出电压的前馈的电流模式RPM控制确保在宽操作条件下的稳定操作。 NCP81149采用QFN48 6x6mm封装。 特性 优势 4.5V至25V输入电压范围 针对超极本和笔记本应用进行了优化 支持11.5W和15W ULT平台 符合英特尔VR12.6和VR12.6 +规格 使用SVID接口调节输出电压 可编程DVID Feed - 支持快速DVID的前进 集成栅极驱动器和功率MOSFET 小外形设计 500kHz~1.2MHz开关频率 降低输出滤波器尺寸和成本 Feedforward Ope输入电源电压和输出电压的比例 快线瞬态响应和DVID转换 过流,过压/欠压和热保护 防止故障 应用 终端产品 工业应用 超极本应用程序 笔记本应用程序 集成POL U...