FPGA加法截位處理方法介紹

本模塊實現輸入與輸出位寬相同數據加法，并對結果進行四舍五入截位，對標matlab round函數。

`timescale 1ns/1ns


module data_in_width_out_width_add_round #
(
    parameter DATA_WIDTH   = 16                             
)
(
    // 系統接口
    input                               i_clk_sys       ,
    input                               i_rst           ,
        
    // 數據輸入
    input  signed   [DATA_WIDTH-1:0]    i_din_a         ,
    input                               i_din_a_vld     ,
    input  signed   [DATA_WIDTH-1:0]    i_din_b         ,
    input                               i_din_b_vld     ,
    
    // 數據輸出
    output signed   [DATA_WIDTH-1:0]    o_dout          ,
    output                              o_dout_vld  
);


/****************************************************************************/
/*  parameter
/****************************************************************************/


/****************************************************************************/
/*  signal
/****************************************************************************/
logic signed    [DATA_WIDTH-1+1:0]  din_add_result          ;
logic                               din_add_result_vld      ;
logic signed    [DATA_WIDTH-1+2:0]  din_add_result_round    ;
logic signed    [DATA_WIDTH-1:0]    din_add_result_truncate ;        
logic                               din_add_result_vld_1dly ;
logic                               din_add_result_vld_2dly ;        
   
/****************************************************************************/
/*  process
/****************************************************************************/
always @(posedge i_clk_sys or posedge i_rst)                    // 數據加法
begin 
    if (i_rst)
    begin 
        din_add_result <= {{DATA_WIDTH+1}{1'b0}};
    end
    else 
    begin 
        din_add_result <= i_din_a + i_din_b;
    end
end


always @(posedge i_clk_sys)                
begin 
    din_add_result_vld <= i_din_a_vld && i_din_b_vld;
end


always @(posedge i_clk_sys)                                     // 數據四舍五入，根據要舍棄的位寬加不同的值
begin 
    if (din_add_result[DATA_WIDTH] == 1'b0)                     // 每次加法先擴充一個符號位，再對小數點位置進行 加減 0.5
    begin 
        din_add_result_round <= {din_add_result[DATA_WIDTH],din_add_result + 1'b1}; 
    end 
    else                                                        // 4'b1000}; +4bit 1是為了modelsim仿真，modelsim仿真規定小數至少3位
    begin 
        din_add_result_round <= {din_add_result[DATA_WIDTH],din_add_result - 1'b1};  
    end
end


always @(posedge i_clk_sys or posedge i_rst)                    // 數據截位
begin 
    if (i_rst)
    begin 
        din_add_result_truncate <= {DATA_WIDTH{1'b0}};
    end
    else if (din_add_result_round[DATA_WIDTH+1] == din_add_result_round[DATA_WIDTH])
    begin                                                       // 如果數據沒有溢出，舍棄最后一位，賦值; 先補充符號位，再取表示起始bit為1，包含bit1并往上升DATA_WIDTH-1位
        din_add_result_truncate <= {din_add_result_round[DATA_WIDTH+1],din_add_result_round[1+ :(DATA_WIDTH-1)]};
    end
    else if (din_add_result_round[DATA_WIDTH+1] == 1'b0 && din_add_result_round[DATA_WIDTH] == 1'b1)
    begin                                                       // 如果正數溢出了，就給一個設置的位寬bit正數最大值，'h7fff 
        din_add_result_truncate <= {1'b0,{(DATA_WIDTH-1){1'b1}}};
    end
    else if (din_add_result_round[DATA_WIDTH+1] == 1'b1 && din_add_result_round[DATA_WIDTH] == 1'b0)
    begin                                                       // 如果負數溢出了，就給一個設置的位寬bit負數最大值，'h8000
        din_add_result_truncate <= {1'b1,{(DATA_WIDTH-1){1'b0}}};
    end    
end


always @(posedge i_clk_sys)                                     // 數據有效流水打拍
begin 
    din_add_result_vld_1dly <= din_add_result_vld;
    din_add_result_vld_2dly <= din_add_result_vld_1dly;


    o_dout                  <= din_add_result_truncate;
    o_dout_vld              <= din_add_result_vld_2dly;
end


endmodule

代碼中如果直接截位，數據的輸出將會產生直流，所以需要對數據的符號位進行判斷，并進行處理。簡單的思路如下：

1.數據先進行加法。

2.對加法后的結果，進行判斷，正數+0.5，負數-0.5，此操作用于去除直流。

3.再對去除直流后的結果，進行需要的截位取值，例如16bit+16bit=17bit，而最終的輸出結果，如果要16bit，那就去掉末位，也可以只要15bit，去掉末2bit，只要bit15-bit2。

上述代碼是簡單的例子處理，輸入進來的兩種數據同位寬，輸出也用同位寬輸出。后續可以改進。

審核編輯：劉清