怎樣測量加法器的速度?器件延遲的時間長度

ID:1027215 · 發表于 2022-10-31 18:28

第一章：設計

      經過學習，行波進位加法器RCA和超前進位加法器CLA后。
      自己動手設計一個八位二進制加法器。
      經過分析，二進制加法，可以分成三種情況。

      A：最特殊情況，兩個八位二進制數的相同位，不同時為1，這樣就不會產生進位。
      B：特殊情況，兩個數相加，產生進位C，但是更高一位的S是0。
      Ω：普通情況，產生進位后，需要繼續進位的情況。
      對于A：8個半加器就可以輸出正確答案。
      對于B：8個半加器輸出S和C，用Cn和Sn+1異或，就可以輸出正確答案。
      對于Ω：就需要發現規律。
      當低位C向高位S進位時，有兩種情況。
      S=0，則直接進位。
      S=1，則本位異或為0，進位C向更高位，繼續進位，直到遇見S=0。
      所以需要一種靈活的電路，當S=1時，能夠把低位C搬運到高位去。
      把S組成的0111結構稱為段，C=0時，異或出結果0111。C=1時，異或出結果1000。進位將是向段進位的。
      下圖就是最終電路設計。使用八個串聯的傳輸門，由各位的S控制通斷，靈活分配進位C。

      由于低位C為1，向高位進位，S為0時，N邏輯傳輸門截止，P邏輯傳輸門導通，本位C可以通過P邏輯傳輸門進入到下級異或門參與運算得到運算結果；當S為 1時，N邏輯傳輸門導通，P邏輯傳輸門截止，此時本位C無法參與下級異或門運算，低位C則可以通過N邏輯傳輸門進入下級異或門參與運算，直到遇到S=0時停止。低位C和段內S異或運算，得到計算結果。依次從低位到高位看S的值，從S為1開始到S為0，稱之為一段，此段內的所有C都會被低位C（本級S為1的上一級C）“覆蓋”，結果為新C。當S出現極端情況0111...0結構的段時，最低位的C覆蓋所有高位C參與運算。
      計算機是如何計算的（視頻有利于理解設計）
      1探索篇
      2設計篇
      3優化篇
      第二章：proteus驗證。示波器測延遲
      經過Proteus 7.8的驗證，設計的加法器，能夠計算出正確結果。
      使用虛擬示波器測出RCA和SCA（本設計）的延遲時間：

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的測試結果
      第三章：multisim驗證。示波器測延遲
      使用multisim 14的虛擬示波器測出RCA和SCA（本設計）的延遲時間：

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的測試結果
      第四章：PCB實物驗證延遲
      由于模擬軟件的延遲測試，僅僅只能參考。
      計劃利用74HC系列芯片，制作出RCA和SCA（本設計）的PCB電路板。使用示波器對兩種加法器進行對比。
      SCA-4示波器測延遲：

RCA-4示波器測延遲：

實物圖：

      中間兩行是輸入開關，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輸出結果。
      開關向右波動為3V，開關向左波動為0V。
      圖中A為1111，B為0000。輸出LED顯示1111。
      結果正確。
      已經試過所有的4位加法，全部正確。

ID:1027215 · 發表于 2022-10-31 18:29

雖然通過protues7.8和multisim14的虛擬示波器測試了加法器速度。
但還是做出來pcb板，用真實的示波器測延遲了，但用的不好！也不會讀數！
我接下來該怎么辦（準確測量加法器速度的快慢）？
是使用Verilog時序仿真，還是怎么搞？希望大家給點建議！謝謝了！

ID:883242 · 發表于 2022-10-31 21:48

我覺得你的做法真沒什么實際意義，跟74系列小規模集成電路搭建CPU一樣無聊。

弄一個FPGA開發板，就算你不會Verilog也沒問題，FPGA設計軟件都是支持原理圖的，也就是說你在仿真軟件里面畫的那些圖，在FPGA軟件里面一樣可以畫，下載后，一樣可以用萬用表來驗證。

我覺得你實在是跑偏了，周圍就沒有懂點的人告訴你么？大學里面思路寬廣的人太多了，你是畢業了吧？

ID:879348 · 發表于 2022-11-1 07:54

你這只是理論而已

ID:123289 · 發表于 2022-11-1 11:12

速度 = 距離/時間。
對于命題而言實際上是時間長短，而不存在距。
時間的長短認定，必須有起點和終點。
1、時間起始點在何處？
2、時間終止點在何處？
方案：
起點認定，需要你加一個信號，即認為輸入數據穩定了，被確認的信號，建議用A、B栓鎖信號認定。當A、B全部被確定后（栓鎖），作為開始信號。
終止認定：應當是計算結果正確且穩定后，才能認定的終止。
應該取8位輸出全部穩定（不再變化）的時刻作為終止點。這需要你對各種輸入計算結果進行對比。取最不利的結果作為最終結果。

ID:1007932 · 發表于 2022-11-1 13:15

不太懂，據我所知，單純的Verilog好像看不出來實際延時，要結合用的器件才行，直接用電路搭的外部因素很多，和FPGA內部也不一樣，設計時應該是讓一次數據處理的時間在一個時鐘周期內完成，用流水線提高時鐘頻率，所有的運算都可以砍成幾個步驟。
這么看來，只要提高時鐘頻率直到輸出錯誤，應該就可以算出延時。

ID:1027215 · 發表于 2022-11-1 13:50

Hephaestus 發表于 2022-10-31 21:48
我覺得你的做法真沒什么實際意義，跟74系列小規模集成電路搭建CPU一樣無聊。

弄一個FPGA開發板，就算你 ...

我不認識電子專業的人。
做pcb是為了證明實際可以實現加法器功能，想用示波器測加法器的速度。

ID:1027215 · 發表于 2022-11-1 13:52

wufa1986 發表于 2022-11-1 07:54
你這只是理論而已

兩個仿真軟件和PCB，都證明了，加法器的功能是沒有問題的。

仿真軟件的虛擬示波器，測試出的數據，也呈現出與理論相同的增長比，就是不知道怎么更加精確的測量出加法器速度。

ID:1027215 · 發表于 2022-11-1 13:57

yzwzfyz 發表于 2022-11-1 11:12
速度 = 距離/時間。
對于命題而言實際上是時間長短，而不存在距。
時間的長短認定，必須有起點和終點。

【對各種輸入計算結果進行對比】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，就能代表其他了。

我現在是不會用示波器，也沒有一個精度很高的示波器。

ID:1050047 · 發表于 2022-11-1 14:23

速度 = 距離/時間。對于命題而言實際上是時間長短，而不存在距。時間的長短認定，必須有起點和終點。 1、時間起始點在何處？ 2、時間終止點在何處？方案：起點認定，需要你加一個信號，即認為輸入數據穩定了，被確認的信號，建議用A、B栓鎖信號認定。當A、B全部被確定后（栓鎖），作為開始信號。終止認定：應當是計算結果正確且穩定后，才能認定的終止。應該取8位輸出全部穩定（不再變化）的時刻作為終止點。這需要你對各種輸入計算結果進行對比。取最不利的結果作為最終結果。

ID:1027215 · 發表于 2022-11-1 14:40

1951387254 發表于 2022-11-1 14:23
速度 = 距離/時間。對于命題而言實際上是時間長短，而不存在距。時間的長短認定，必須有起點和終點。 1、 ...

【取最不利的結果作為最終結果。】
加法器里面有，最長路徑的，這個是最慢的。只用測量這個的速度，就好了！

ID:401564 · 發表于 2022-11-1 15:14

你是做什么的?或者是說你要做什么?為什么對"加法器速度"如此的執著?
我個人認為,這種古怪的問題是由于新手剛剛學習某些專業,基礎還沒有打好,然后就自己想當然的去覺得應該這么這么的,然后就冒出一個問題來了
你仿真的時候,用的是理想元件,實際PCB的時候卻并不是理想元件,誤差肯定有的了
而且,你不會告訴我說,你用示波器不會看時間差吧?
而且,你這一堆操作的意義何在?是要看加法器的延時?還是說問題,本來就不是這個問題,"加法器延時"只是你自己覺得應該要看的?

ID:1027215 · 發表于 2022-11-1 17:04

Y_G_G 發表于 2022-11-1 15:14
你是做什么的?或者是說你要做什么?為什么對"加法器速度"如此的執著?
我個人認為,這種古怪的問題是由于新手 ...

我要做：一個拓撲結構和RCA一樣簡單的，晶體管數量少的，速度比CLA快的加法器。

只需要簡單的并聯，就能拼出32位，拼出64位的加法器，速度還要快過CLA【超前進位加法器】

ID:401564 · 發表于 2022-11-1 19:24

Ele_insect 發表于 2022-11-1 17:04
我要做：一個拓撲結構和RCA一樣簡單的，晶體管數量少的，速度比CLA快的加法器。

只需要簡單的并聯，就 ...

你的專業是什么?
FPGA還是嵌入式?

ID:1027215 · 發表于 2022-11-1 19:46

Y_G_G 發表于 2022-11-1 19:24
你的專業是什么?
FPGA還是嵌入式?

機械。。。加法器功能，我已經實現了。就缺最大延遲的測量了

ID:123289 · 發表于 2022-11-2 10:22

【加法器里面有，最長路徑的，這個是最慢的。只用測量這個的速度，就好了！】
1、電速如光速，最長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，也可能響應是最慢的。
3、如果不做對比，你如何知道8個位，哪個位最慢。況且數字不同，結果不同，不可能每次都是某位最慢。
比如，第3位，本次計算結果與上次不相同，而其它位本次計算結果與上次相同（即沒有延時）！你能說第3位最慢嗎？
4、許多變化還與鄰近的線路相關，當相鄰的線路穩定時，它不受干擾，而相鄰線路波動時，它就被干擾了。也即不同的數據相加，某位受到的干擾不同，延時也會不同。要認定哪一位延時最多，是需要做整體數據驗證的。不是你所想像地線路最長。

ID:1027215 · 發表于 2022-11-2 12:17

yzwzfyz 發表于 2022-11-2 10:22
【加法器里面有，最長路徑的，這個是最慢的。只用測量這個的速度，就好了！】
1、電速如光速，最長路徑能 ...

關于第一點：最長路徑指的是門延遲最多的一條線，線延遲相對于門延遲要小很多！

關于第三點：不是8位對比的，8種情況。而是256*256=65536種情況（0到255分別加0到255），窮舉法測量，那就太多了，只能靠FPGA寫出加法器，再通過程序進行全面的測量時序了。

大致同意您的意見！
我現在應該買一塊FPGA，然后寫入我的設計，之后用程序測量嗎？（FPGA測出的數據符合現實嗎？）
這個好學嗎？我就只用這一部分的東西，比較簡單的！

ID:1027215 · 發表于 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圖片錯了！

ID:1042784 · 發表于 2022-11-6 21:01

加法器的速度翻倍，ALU的計算能力會不會翻倍？cpu的性能，能不能翻倍？

51單片機換上這個加法器，性能會翻倍嗎？

ID:1027215 · 發表于 2022-11-7 10:44

風吹過后發表于 2022-11-6 21:01
加法器的速度翻倍，ALU的計算能力會不會翻倍？cpu的性能，能不能翻倍？

51單片機換上這個加法器，性能會 ...

在微處理器芯片中，加法器是進行數字信號處理的核心，同時也是微處理器中進行數據處理的關鍵部件。
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化對于整個CPU的性能來說是非常重要的。為了加快加法器的執行速度，減少加法器的面積，有必要對加法器的算法、結構及電路的具體實現做深入的研究。
我現在就搞了一個晶體管數量少的，速度快的，S分段C覆蓋并行加法器。

ID:1027215 · 發表于 2022-11-16 09:34

Ele_insect 發表于 2022-11-7 10:44
在微處理器芯片中，加法器是進行數字信號處理的核心，同時也是微處理器中進行數據處理的關鍵部件。
加法 ...

我自己覺得，這個加法器挺好的，能加快ALU的計算速度，提升CPU性能！

ID:1027215 · 發表于 2023-5-8 09:40

Ele_insect 發表于 2022-11-16 09:34
我自己覺得，這個加法器挺好的，能加快ALU的計算速度，提升CPU性能！

其實GPU的流處理器數量更多！我的2070顯卡，就有2300個流處理器，也就是說，一個顯卡里面可能會使用近萬個加法器！

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怎樣測量加法器的速度?器件延遲的時間長度