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數(shù)值計算中Bcd碼校驗電路的分析與設(shè)計
摘要：在計算機數(shù)值計算中，數(shù)值經(jīng)常是以BCD碼進(jìn)行運算的.因而BCD校驗電路是一個非常重要的硬件邏輯。其不但影響到數(shù)值計算的正確與否，還對整個運算的速度有著決定作用。本文首先分析了BCD碼校驗原理，進(jìn)而從并行、串行兩種電路結(jié)構(gòu)分析了BCD碼校驗邏輯。最后提出了一種高效，快速的BCD 碼驗證電路并對其進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞：BCD碼、數(shù)值計算、并/串行、校驗
引言
微處理器的工作過程是大量數(shù)據(jù)的輸入--運算--輸出的過程，其中相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)使用十進(jìn)制形式表達(dá)。使用者希望微處理器的輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果能使用十進(jìn)制形式表達(dá)，而在微處理器內(nèi)采用二進(jìn)制表示和處理數(shù)據(jù)更方便，所以在二者之間的數(shù)制轉(zhuǎn)換是必要的。通常采用兩種方式解決這一問題。
方法1：十--二進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路將輸入的十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，微處理器內(nèi)部算術(shù)邏輯單元仍然執(zhí)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)運算微操作，運算結(jié)果再進(jìn)行二--十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，將結(jié)果以十進(jìn)制形式輸出。
方法2：算術(shù)邏輯單元對二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理能力的前提下，增加少量硬件線路，使之對某種二進(jìn)制編碼形式表示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)具有直接處理能力，該算術(shù)邏輯單元能夠接收特定二進(jìn)制編碼構(gòu)成的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生相同編碼組成的計算結(jié)果，在數(shù)據(jù)處理過程中該單元執(zhí)行十進(jìn)制數(shù)據(jù)運算微操作。
微處理器使用中涉及大量的數(shù)據(jù)輸入輸出操作，顯然方法1不是理想的選擇，因而從提高機器的運行效率，簡化機器結(jié)構(gòu)和保證系統(tǒng)時序結(jié)構(gòu)的規(guī)整性考慮，方法2更有實用價值。 所以本文講述了方法2為算法依據(jù)的BCD加減電路。
校驗原理
在計算機得數(shù)值計算中，數(shù)值經(jīng)常是以BCD碼表示的十進(jìn)制進(jìn)行運算的。即一位BCD碼用4位二進(jìn)制位表示。但是BCD的加法需要兩個加法器來完成，如果分析一下BCD數(shù)的加法過程，原因就很清楚。請看下面：
令A(yù)=1000,B=0111,這兩個數(shù)都是正確的BCD碼，如果兩個操作數(shù)直接相加，結(jié)果不是一個BCD碼：
1000
＋ 0111
1111
正確的BCD碼加法運算應(yīng)為1000＋0111＝（1）0101即8＋7＝15。其它BCD碼操作數(shù)運算的結(jié)果也能產(chǎn)生不正確的BCD碼結(jié)果。實際上當(dāng)結(jié)果大于9或者有進(jìn)位時，就要進(jìn)行BCD的校驗，以確保結(jié)果的正確性。
對于產(chǎn)生進(jìn)位得情況，加法器直接提供了二進(jìn)制的進(jìn)位輸出，即BCD修正信號Y=C.而對于結(jié)果大于9，需要修正的數(shù)為1010－1111。
把它們作為四變量布爾表達(dá)式的最小項，就能化簡邏輯。即Y=E3E2+E3E1.其中E3 、E2、E1、E0是加法器的和的輸出。綜合以上結(jié)果可得BCD修正信號Y=E3E2+E3E1+C.修正電路如圖一所示
下面就已四位并行加法器和一位串行加法器兩種電路形式來討論BCD碼的驗證。
圖二 4位并行加法器BCD加法電路
圖二所示為4位并行的BCD加法器電路。其中上面加法器的輸入來自低一級的BCD數(shù)字。下面加法器BCD的輸出E3、E2、E1、E0和COUT至高一級BCD數(shù)字,其A3和A1位接地,即當(dāng)BCD校驗信號為真時Y=1,A3A2A1A0=0110,以實現(xiàn)加6的調(diào)整.當(dāng)不需要BCD調(diào)整時Y=0,此時A3A2A1A0=0000,從而使輸出結(jié)果無變化.
雖然4位并行加法器運算速度較快，但是所用邏輯門較多。圖三所示為一位串行BCD加法器。它是以犧牲速度以達(dá)到減少硬件邏輯門的目的，這種電路在對頻率要求不高的系統(tǒng)中非常之適用。其中ADDER1、ADDER2均為一位全加器。ADDER1做主運算器,ADDER2做BCD校驗運算器，不管是否做BCD校驗，ADDER2的初始進(jìn)位、借位始終為“1”。
圖三中Z型門為延時電路，延時一個時鐘周期，這樣在外部電路控制下，經(jīng)過四個時鐘周期，得到一位十進(jìn)制BCD結(jié)果E3E2E1E0.由電路圖所以當(dāng)C+(E3E2+E3E1)邏輯值為‘1’時，控制多路選擇器選擇A通路（A通路為序列1001），當(dāng)C+(E3E2+E3E1)為‘0’時，選擇B通路（B通路序列為1111），即需要校驗時，多路選擇器輸出序列1001；不需要校驗時，輸出序列1111，與Z型門的輸出對應(yīng)相加，并且ADDER2的初始進(jìn)位始終為‘1’，由此可完成BCD的校驗工作。
圖三 一位串行BCD加法器電路
下面是基于4位并行BCD加法器算法的一種快速BCD的加法器VERILOG硬件描述語言程序及其仿真結(jié)果。
module bcd_check (data_i,data_o,cy_i,cy_o,en,z_i,z_o);
input data_i;
input cy_i;
input z_i;
input en; //insructure
output cy_o;
output data_o;
output z_o;
wire [3:0] data_i;
wire cy_i;
wire en;
reg z_o;
reg cy_o;
reg [3:0] data_o;
//}} End of automatically maintained section
reg [4:0] TEMP_RESULT;
always @(data_i or cy_i or en )
if(en == 0)
begin
cy_o=cy_i;
data_o=data_i;
z_o=z_i;
end
else
begin
if(data_i[3]&&data_i[1] ||(data_i[3]&&data_i[2]) || cy_i==1)
TEMP_RESULT = {1'b0,data_i } + {1'b0,4'b0110 } + cy_i;
else
begin
TEMP_RESULT[3:0]=data_i;
TEMP_RESULT[4]=cy_i;
end
data_o = TEMP_RESULT[3:0];
z_o = | TEMP_RESULT[3:0];
cy_o = TEMP_RESULT[4];
end
例如：兩個十進(jìn)制數(shù)2189＋8075的正確結(jié)果應(yīng)為11064，可是，相加運算后的結(jié)果為FEH,為此應(yīng)進(jìn)行BCD調(diào)整。將為經(jīng)校驗的相加結(jié)果0010，1001，1000，1001（十進(jìn)制2989）＋1000，0000，0111，0101（十進(jìn)制8075）＝1010，1001，1111，1110代人上述BCD校驗?zāi)K，可得仿真結(jié)果如圖四。
圖四 仿真結(jié)果
有圖可知data_o為1064 且進(jìn)位輸出為1，即總的結(jié)果為11064，這與2989＋8075＝11064的結(jié)果是一致的。
結(jié)束語
本文通過對BCD碼算法和并/串行BCD校驗電路的分析，提出了一種高效，快速的BCD校驗?zāi)K。由上面仿真結(jié)果可知，此種電路速度較快，硬件電路簡單。適合實時處理系統(tǒng)。
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