(原創) 如何設計乘加電路? (SOC) (Verilog) (MegaCore)

Abstract
z = a*b + c*d;一個很簡單的運算，該如何使用數位電路實現呢?

Introduction
使用環境：Quartus II 8.0

在(原創) 如何設計2數相加的電路? (SOC) (Verilog)中，我們討論過如何實現y = a + b;但在實務上，其實最常用的是y = a*b + c*d，由於Verilog與數位電路本身的限制，不適合真的去實現很複雜的數學，就算真的實現出來，電路也跑不快，又佔resource，所以我們常會重新修改演算法配合數位電路的特性，通常演算法修改到最後，都會只剩下簡單的乘法與加法運算，也就是y = a*b + c*d的型式。

Method 1：
一般寫法

ALT_MULTADD.v / Verilog

1  /*  
2  (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4  Filename    : ALT_MULTADD.v
5  Compiler    : Quartus II 8.0
6  Description : Demo how to write y = a*b + c*d
7  Release     : 10/11/2008 1.0
8  */
9 
10  module ALT_MULTADD (
11    input          iCLK,
12    input          iRST_N,
13    input   [ 7 : 0 ]  iA0,
14    input   [ 7 : 0 ]  iB0,
15    input   [ 7 : 0 ]  iA1,
16    input   [ 7 : 0 ]  iB1,
17    output [ 16 : 0 ] oRESULT
18  );
19 
20  reg [ 7 : 0 ] a0;
21  reg [ 7 : 0 ] a1;
22  reg [ 7 : 0 ] b0;
23  reg [ 7 : 0 ] b1;
24  reg [ 16 : 0 ] result;
25 
26  assign oRESULT = result;
27 
28  always @( posedge iCLK, negedge iRST_N) begin
29    if ( ! iRST_N) begin
30      a0     <=   0 ;
31      a1     <=   0 ;
32      b0     <=   0 ;
33      b1     <=   0 ;
34      result <=   0 ;
35    end
36    else   begin
37      a0     <= iA0;
38      a1     <= iA1;
39      b0     <= iB0;
40      b1     <= iB1;
41     
42      result <= a0 * b0 + a1 * b1;
43    end    
44  end
45 
46  endmodule

模擬結果

輸出結果會delay 2個clock，為什麼會這樣呢?這可由合成結果來解釋。

合成結果

輸出輸入都使用reg寄存，所以一共delay 2個clock，中間是組合電路負責乘加運算。

Fmax為195.43MHz

 

Method 2：
使用Pipeline

ALT_MULTADD_pipe.v / Verilog

1  /*  
2  (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4  Filename    : ALT_MULTADD_pipe.v
5  Compiler    : Quartus II 8.0
6  Description : Demo how to write y = a*b + c*d with pipeline
7  Release     : 10/11/2008 1.0
8  */
9 
10  module ALT_MULTADD_pipe (
11    input          iCLK,
12    input          iRST_N,
13    input   [ 7 : 0 ]  iA0,
14    input   [ 7 : 0 ]  iB0,
15    input   [ 7 : 0 ]  iA1,
16    input   [ 7 : 0 ]  iB1,
17    output [ 16 : 0 ] oRESULT
18  );
19 
20  reg [ 7 : 0 ] a0;
21  reg [ 7 : 0 ] a1;
22  reg [ 7 : 0 ] b0;
23  reg [ 7 : 0 ] b1;
24 
25  reg [ 16 : 0 ] m0;
26  reg [ 16 : 0 ] m1;
27 
28  reg [ 16 : 0 ] result;
29 
30  assign oRESULT = result;
31 
32  always @( posedge iCLK, negedge iRST_N) begin
33    if ( ! iRST_N) begin
34      a0 <=   0 ;
35      a1 <=   0 ;
36      b0 <=   0 ;
37      b1 <=   0 ;
38      m0 <=   0 ;
39      m1 <=   0 ;
40    end
41    else   begin
42      a0 <= iA0;
43      a1 <= iA1;
44      b0 <= iB0;
45      b1 <= iB1;
46     
47      m0 <= a0 * b0;
48      m1 <= a1 * b1;
49     
50      result <= m0 + m1;
51    end    
52  end
53 
54  endmodule

模擬結果

 

輸出結果會delay 3個clock，為什麼會這樣呢?這可由合成結果來解釋。

合成結果

由於使用了3級reg，所以delay了3個clock。

其實在code中，也已經描述了這個現象，42行

a0 <= iA0;
a1 <= iA1;
b0 <= iB0;
b1 <= iB1;

第1個clock，將input做寄存。

47行

m0 <= a0 * b0;
m1 <= a1 * b1;

第2個clock，計算a0 * b0與a1 * b1，由於這兩個毫不相干，所以可以同時計算。

50行 

result <= m0 + m1;

第3個clock，將output做寄存。

所以在寫code時，其實腦筋想的正是RTL Viewer合成出來的結果， 這也是為什麼寫Verilog時，不能像寫C一樣，只要語法對就好，剩下就是Compiler幫你優化，由於目前C compiler優化能力都很強，所以就算你亂寫，優化出來的結果也差不多，但寫Verilog卻要時時想著你想描述的硬體，

Fmax為260MHz

加上pipeline後，Fmax大增，為什麼加上pipeline後，Fmax增加這麼多呢?尤其若你原本是寫C的背景，看到Verilog多了幾個reg後，差異就這麼大，一定很難理解。

解釋pipeline的書很多，在有名的算盤書(Computer Organization & Design The Hardware / Software Interface) Ch.6講得很清楚，在這我用另外一種方法來解釋。

在同步設計中，電路的設計都是循序電路、組合電路交錯的組合，由上面兩個合成結果也能發現這種設計，為了要同步，所以必須很穩定的前一個clock在第1級reg，而下一個clock在第2級reg，因為Fmax是period的倒數，兩級reg中間的組合電路所需時間越長，period一定越大，倒數後的Fmax就越小。

在Method 1中

result <= a0 * b0 + a1 * b1;

要乘要加，這樣的組合電路一定要花較長的時間，所以period也越大，Fmax當然也變小。

在Method 2中

m0 <= a0 * b0;
m1 <= a1 * b1;
   
result <= m0 + m1;

將相乘跟相加分開來做，先將乘法運算的結果做寄存，然後再作加法運算，這樣每個組合電路的時間變少，所以period也變小，Fmax當然也變大了。

但pipeline也是有trade off!!

多花了一級reg，所以delay時間會變長，也就是一開始會慢一個clock出來，但之後每個clock都有產出，換來的就是Fmax變大。

所以有人說，硬體加速基本上就是將演算法切得很細來加速，就是因為pipeline的關係。

看到這裡，你或許會說：
『y = a*b + c*d在C只要一行的東西，在Verilog我要寫這麼多行?那真的去寫一個演算法還得了?』

幸好Altera提供了Megafunction，讓我們可以很輕鬆的計算y = a*b + c*d。

Method 3：
使用Megafunction：ALT_MULTADD

ALT_MULTADD_mf.v / Verilog

1  /*  
2  (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4  Filename    : ALT_MULTADD_mf.v
5  Compiler    : Quartus II 8.0
6  Description : Demo how to write y = a*b + c*d by Megafunction
7  Release     : 10/11/2008 1.0
8  */
9 
10  module ALT_MULTADD_mf (
11    input          iCLK,
12    input          iRST_N,
13    input   [ 7 : 0 ]  iA0,
14    input   [ 7 : 0 ]  iB0,
15    input   [ 7 : 0 ]  iA1,
16    input   [ 7 : 0 ]  iB1,
17    output [ 16 : 0 ] oRESULT
18  );
19 
20  MAC mac0 (
21    .aclr0( ! iRST_N),
22    .clock0(iCLK),
23    .dataa_0(iA0),
24    .datab_0(iB0),
25    .dataa_1(iA1),
26    .datab_1(iB1),
27    .result(oRESULT)
28  );
29 
30  endmodule

這樣的code夠精簡了吧!!

模擬結果

 

與Method 2的結果一樣delay 3個clock，可見Megafunction:ALT_MULTADD預設已經加上了pipeline。

合成結果

 

很單純的只有一個MAC block。

Fmax一樣為260MHz

所以不用擔心Megafunction:ALT_MULTADD沒自己寫code效率好。

如何使用Megafunction:ALT_MULTADD?

Tool -> MegaWizard Plug-In Manager

之後就是wizard介面，跟著一步一步設定即可。Megafunction:ALT_MULTADD預設已經將input與output用reg做寄存，所以我們只需單純的用wire連進去即可。

完整程式下載
ALT_MULTADD.7z (一般寫法)
ALT_MULTADD_pipe.7z (使用pipeline)
ALT_MULTADD_mf.7z (使用Megafunction:ALT_MULTADD)

Conclusion
本文所要傳達的重點有4：
1.寫Verilog不能像寫C一樣，只要語法對就好，剩下的優化就交給C compiler；寫Verilog時要時時想著你要描述的硬體，因為合成器會依照你的code去做合成，寫法的差異影響結果甚鉅。

2.解釋pipeline概念，這是c coder學Verilog很難理解的地方。

3.Altera提供了不少好用Megafunction，不僅方便，而且執行效率甚至比我們自己寫的還好些，應該盡量使用Megafunction增加開發效率以及執行效率。

4.Megafunction:ALT_MULTADD在實務上經常使用，在(原創) 如何實現Real Time的Sobel Edge Detector? (SOC) (Verilog) (Image Processing) (DE2-70) (TRDB-D5M) (TRDB-LTM)，我就曾經使用ALT_MULTADD這個Megafunction實現Sobel Edge Detector演算法。

See Also
(原創) 如何設計2數相加的電路? (SOC) (Verilog)
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