// Code your design here module top_design( input [15:0] in, output [15:0] out , output reg [15:0] final_int, output reg [15:0] result_mult ); wire sign_bit = in[15]; //multiplication operation reg Exception; reg Overflow; reg Underflow; // reg [15:0] result_mult; wire [15:0] b; assign b = 16'b0011110111000011; //approx multiplication_16 m1( .a_operand(in), .b_operand(b), .Exception(Exception), .Overflow(Overflow), .Underflow(Underflow), .result(result_mult) ); //solving integer part reg [15:0] result_int; pow2_integer_part_only p( .x_in(result_mult), .result(result_int) ); //converting integer part answer into floating point half precision format //reg [15:0] final_int; int16_to_halfprecision converter( .int_in(result_int), .half_out(final_int) ); //calculating fractional part reg [15:0] final_float; reg [15:0] final_float_ans; fp16_subtractor cs( .a(result_mult), // Operand A .b(final_int), // Operand B .result(final_float) // A - B ); reg [15:0] CONST_9567_Q14 =16'b0011101110100111; half_precision_adder gp( .a(final_float), // Operand A .b(CONST_9567_Q14), // Operand B .result(final_float_ans) // A + B ); //multiplying the final answers reg Exception1; reg Overflow1; reg Underflow1; multiplication_16 m2( .a_operand(final_int), .b_operand(final_float_ans), .Exception(Exception1), .Overflow(Overflow1), .Underflow(Underflow1), .result(out) ); endmodule module fp16_subtractor ( input [15:0] a, // Operand A input [15:0] b, // Operand B output [15:0] result // A - B ); // Internal fields wire sign_a = a[15]; wire sign_b = b[15]; wire [4:0] exp_a = a[14:10]; wire [4:0] exp_b = b[14:10]; wire [10:0] frac_a = {1'b1, a[9:0]}; // Implicit 1 for normalized wire [10:0] frac_b = {1'b1, b[9:0]}; wire [4:0] exp_diff; wire [10:0] frac_b_shifted; wire [11:0] frac_diff; reg [4:0] exp_result; reg [10:0] frac_result; reg sign_result; // Step 1: Align exponents assign exp_diff = (exp_a > exp_b) ? (exp_a - exp_b) : (exp_b - exp_a); assign frac_b_shifted = (exp_a > exp_b) ? (frac_b >> exp_diff) : frac_b; wire [10:0] aligned_frac_a = (exp_a > exp_b) ? frac_a : (frac_a >> exp_diff); // Step 2: Perform subtraction assign frac_diff = aligned_frac_a - frac_b_shifted; always @(*) begin if (exp_a > exp_b) begin exp_result = exp_a; end else begin exp_result = exp_b; end // Determine signa if (a == b) begin frac_result = 0; exp_result = 0; sign_result = 0; end else if (frac_a >= frac_b_shifted) begin frac_result = frac_diff[10:0]; sign_result = sign_a; end else begin frac_result = -frac_diff[10:0]; sign_result = ~sign_a; // Flip sign end // Normalize result (basic leading zero detection) while (frac_result[10] == 0 && exp_result > 0) begin frac_result = frac_result << 1; exp_result = exp_result - 1; end end // Pack the result assign result = {sign_result, exp_result, frac_result[9:0]}; endmodule // Code your design here module half_precision_adder ( input [15:0] a, // Half-precision input 1 input [15:0] b, // Half-precision input 2 output [15:0] result // Half-precision output ); // Internal fields reg sign_a, sign_b, sign_r; reg [4:0] exp_a, exp_b, exp_r; reg [10:0] mant_a, mant_b; reg [11:0] mant_sum; reg [9:0] mant_r; reg [15:0] res; always @(*) begin // Step 1: Extract sign, exponent, mantissa sign_a = a[15]; sign_b = b[15]; exp_a = a[14:10]; exp_b = b[14:10]; mant_a = {1'b1, a[9:0]}; // Prepend implicit 1 mant_b = {1'b1, b[9:0]}; // Step 2: Align exponents if (exp_a > exp_b) begin mant_b = mant_b >> (exp_a - exp_b); exp_r = exp_a; end else begin mant_a = mant_a >> (exp_b - exp_a); exp_r = exp_b; end // Step 3: Perform addition (assuming same sign for simplicity) mant_sum = mant_a + mant_b; // Step 4: Normalize result if (mant_sum[11] == 1) begin mant_sum = mant_sum >> 1; exp_r = exp_r + 1; end mant_r = mant_sum[9:0]; sign_r = 0; // Assuming both inputs are positive // Step 5: Assemble result res = {sign_r, exp_r, mant_r}; end assign result = res; endmodule // Code your design here module int16_to_halfprecision ( input wire signed [15:0] int_in, output reg [15:0] half_out ); reg [15:0] abs_val; reg [4:0] msb_pos; reg [9:0] mantissa; reg [4:0] biased_exp; integer i; always @(*) begin if (int_in == 16'd0) begin half_out = 16'd0; end else begin // Step 1: Get sign and absolute value half_out[15] = int_in[15]; // Sign bit abs_val = int_in[15] ? -int_in : int_in; // Step 2: Find MSB position msb_pos = 0; for (i = 15; i >= 0; i = i - 1) begin if (abs_val[i] == 1'b1 && msb_pos == 0) msb_pos = i[4:0]; end // Step 3: Biased exponent biased_exp = msb_pos + 5'd15; half_out[14:10] = biased_exp; // Step 4: Mantissa extraction if (msb_pos > 10) mantissa = (abs_val >> (msb_pos - 10)) & 10'h3FF; else mantissa = (abs_val << (10 - msb_pos)) & 10'h3FF; half_out[9:0] = mantissa; end end endmodule // Code your design here module pow2_integer_part_only ( input wire [15:0] x_in, // 16-bit half-precision float output reg [15:0] result // 16-bit output = 2^floor(x) ); wire sign; wire [4:0] exponent; wire [9:0] mantissa; reg [15:0] int_part; real value; assign sign = x_in[15]; assign exponent = x_in[14:10]; assign mantissa = x_in[9:0]; always @(*) begin result = 16'd0; if (sign == 1'b1 || exponent == 5'd0) begin // Negative or subnormal/zero result = 16'd1; end else begin // Normalized: 1.mantissa × 2^(exp - 15) // Convert to real value value = (1.0 + mantissa / 1024.0) * (2.0 ** (exponent - 15)); int_part = $floor(value); if (int_part > 15) result = 16'd0; // Avoid overflow else result = 16'd1 << int_part; end end endmodule module multiplication_16( input [15:0] a_operand, input [15:0] b_operand, output Exception, output Overflow, output Underflow, output [15:0] result ); localparam EXP_BIAS = 15; wire sign, normalised, zero, round_bit; wire [10:0] operand_a, operand_b; wire [21:0] product, product_shifted; wire [9:0] guard_bits; wire [5:0] sum_exponent; wire [4:0] exponent; wire [9:0] mantissa; wire a_is_nan = (a_operand[14:10] == 5'b11111) && (a_operand[9:0] != 0); wire b_is_nan = (b_operand[14:10] == 5'b11111) && (b_operand[9:0] != 0); wire a_is_inf = (a_operand[14:10] == 5'b11111) && (a_operand[9:0] == 0); wire b_is_inf = (b_operand[14:10] == 5'b11111) && (b_operand[9:0] == 0); wire a_is_zero = (a_operand[14:0] == 15'd0); wire b_is_zero = (b_operand[14:0] == 15'd0); assign sign = a_operand[15] ^ b_operand[15]; assign Exception = a_is_nan | b_is_nan | (a_is_inf & b_is_zero) | (a_is_zero & b_is_inf); assign operand_a = (a_operand[14:10] == 0) ? {1'b0, a_operand[9:0]} : {1'b1, a_operand[9:0]}; assign operand_b = (b_operand[14:10] == 0) ? {1'b0, b_operand[9:0]} : {1'b1, b_operand[9:0]}; assign product = operand_a * operand_b; assign normalised = product[21]; assign product_shifted = normalised ? product : product << 1; assign guard_bits = product_shifted[10:1]; assign round_bit = |guard_bits; wire [9:0] mantissa_unrounded = product_shifted[20:11]; wire [10:0] mantissa_rounded = mantissa_unrounded + (product_shifted[10] & round_bit); wire mantissa_carry = mantissa_rounded[10]; assign mantissa = mantissa_carry ? 10'd0 : mantissa_rounded[9:0]; wire [5:0] base_exponent = a_operand[14:10] + b_operand[14:10] - EXP_BIAS + normalised + mantissa_carry; assign exponent = base_exponent[4:0]; assign zero = (mantissa == 0 && exponent == 0); // Only assert these if no Exception assign Overflow = ~Exception & (base_exponent[5] & ~base_exponent[4]) & ~zero; assign Underflow = ~Exception & (base_exponent[5] & base_exponent[4]) & ~zero; assign result = Exception ? 16'h7E00 : a_is_inf | b_is_inf ? {sign, 5'b11111, 10'd0} : a_is_zero | b_is_zero ? {sign, 15'd0} : Overflow ? {sign, 5'b11111, 10'd0} : Underflow ? {sign, 15'd0} : {sign, exponent, mantissa}; endmodule分析一下各个模块的含义
时间: 2025-07-23 13:56:44 浏览: 2
<think>我们有一个顶层模块 `top_design`,它包含多个子模块,用于实现一个特定的计算流程。下面我将逐个分析每个模块的功能和设计。
### 1. 顶层模块 `top_design`
- **输入**: 16位的 `in`
- **输出**:
- `out`: 16位,最终的计算结果
- `final_int`: 16位,整数部分转换后的半精度浮点数
- `result_mult`: 16位,第一次乘法(输入与常数b相乘)的结果
顶层模块内部实例化了多个子模块,执行以下步骤:
1. **乘法操作**:将输入 `in` 与一个常数 `b`(16'b0011110111000011)相乘,得到 `result_mult`。
2. **整数部分计算**:对 `result_mult` 取整数部分(通过 `pow2_integer_part_only` 模块),得到 `result_int`。
3. **整数部分转半精度浮点数**:将整数 `result_int` 转换为半精度浮点数格式,得到 `final_int`。
4. **计算小数部分**:用 `result_mult` 减去 `final_int` 得到小数部分 `final_float`(通过 `fp16_subtractor` 模块)。
5. **小数部分加常数**:将小数部分 `final_float` 加上一个常数 `CONST_9567_Q14`(16'b0011101110100111),得到 `final_float_ans`(通过 `half_precision_adder` 模块)。
6. **最终乘法**:将整数部分 `final_int` 与小数部分处理结果 `final_float_ans` 相乘,得到最终输出 `out`(通过另一个乘法模块)。
### 2. 乘法模块 `multiplication_16`
该模块实现了两个半精度浮点数的乘法。
- **输入**: 两个16位操作数 `a_operand` 和 `b_operand`
- **输出**:
- `Exception`: 异常(如NaN或无穷大乘以零)
- `Overflow`: 溢出
- `Underflow`: 下溢
- `result`: 16位乘法结果
处理步骤:
1. 检查特殊值(NaN、无穷大、零)。
2. 计算符号位(异或)。
3. 将操作数扩展为11位(包括隐含位)。
4. 计算乘积(22位)。
5. 规格化乘积。
6. 舍入处理。
7. 计算指数(考虑规格化和舍入进位)。
8. 处理溢出和下溢,并组装结果。
### 3. 整数部分计算模块 `pow2_integer_part_only`
- **输入**: 16位半精度浮点数 `x_in`
- **输出**: 16位整数 `result`,表示2的`floor(x)`次方
处理步骤:
1. 如果输入为负数或零,则输出1(特殊情况)。
2. 否则,将浮点数转换为实数,取整数部分(floor)。
3. 计算2的整数次方(通过移位),但注意这里代码中使用了移位操作,但输入是浮点数,所以先转换为整数,然后移位。然而,代码中有一个错误:它试图将整数部分作为移位位数,但移位位数不能超过15(因为16位整数最大移位15位),且结果也是16位整数。
### 4. 整数转半精度浮点模块 `int16_to_halfprecision`
- **输入**: 16位有符号整数 `int_in`
- **输出**: 16位半精度浮点数 `half_out`
处理步骤:
1. 取绝对值。
2. 找到最高位的位置(MSB)。
3. 计算偏置指数(MSB位置+15)。
4. 提取尾数(根据MSB位置移位并取10位)。
5. 组装符号、指数和尾数。
### 5. 半精度浮点数减法模块 `fp16_subtractor`
- **输入**: 两个16位半精度浮点数 `a` 和 `b`
- **输出**: 16位结果 `result`(a-b)
处理步骤:
1. 提取符号、指数和尾数(隐含位处理)。
2. 对齐指数(将指数小的数的尾数右移)。
3. 尾数相减。
4. 根据相减结果确定符号和尾数。
5. 规格化(左移尾数并调整指数直到最高位为1)。
6. 组装结果。
### 6. 半精度浮点数加法模块 `half_precision_adder`
- **输入**: 两个16位半精度浮点数 `a` 和 `b`
- **输出**: 16位结果 `result`(a+b)
处理步骤:
1. 提取符号、指数和尾数(隐含位处理)。
2. 对齐指数(将指数小的数的尾数右移)。
3. 尾数相加(假设同号,但代码中只处理了正数,符号位固定为0)。
4. 规格化(如果相加后尾数有进位,则右移并调整指数)。
5. 组装结果。
### 7. 其他说明
- 常数 `b` 和 `CONST_9567_Q14` 是固定的半精度浮点数,用于乘法和小数部分调整。
- 整个设计流程似乎是针对一个特定的数学函数进行近似计算,但具体函数未明确。
### 代码中的潜在问题
1. **`pow2_integer_part_only` 模块**:该模块试图计算 `2^floor(x)`,但输入 `x_in` 是浮点数,而输出是整数(移位得到)。然而,在代码中,它使用 `$floor(value)` 得到整数部分,然后移位。但是,如果 `int_part` 大于15,则移位会溢出,所以结果置0。但这里应该是 `2^floor(x)` 的值,而移位操作只能表示2的整数次幂,且范围在0到32768(但移位最大15,所以最大32768)。另外,该模块对负数的处理是输出1,但 `2^floor(x)` 对于负数x应该是小数(小于1),但这里输出整数1,可能不符合预期。
2. **加法器模块**:只处理了正数(符号位固定为0),如果输入有负数则不正确。
3. **减法模块**:虽然实现了,但在规格化部分使用了循环(while循环),这在综合时可能会产生问题,因为循环次数在编译时未知。
4. **整个设计流程**:输入 `in` 首先乘以一个常数b,然后取整数部分,再与小数部分处理后的结果相乘。这个流程可能是为了近似某个函数(例如指数函数?),但需要更多上下文。
### 改进建议
1. 对于循环(如减法模块中的规格化循环),应避免使用不可综合的循环(如while循环),应改为组合逻辑的固定移位或使用优先级编码器。
2. 加法器模块应支持负数,即处理符号位。
3. 对于 `pow2_integer_part_only` 模块,如果输入为负数,应输出0(因为2^负数是一个小数,整数部分为0)?但当前输出1,需要根据应用调整。
### 总结
这个设计实现了一个特定的数学计算流程,使用了多个浮点数运算模块。但由于部分模块未完全实现(如加法器只支持正数),以及一些潜在问题,可能在某些输入下产生错误结果。需要根据具体应用场景进行验证和修正。
§§相关问题§§:
1. 如何改进半精度浮点数加法器以支持带符号的加法?
2. 在减法模块中,使用循环进行规格化是否可综合?如果不能,如何修改?
3. 对于 `pow2_integer_part_only` 模块,当输入为负数时,期望的输出应该是什么?
4. 整个设计流程是在计算什么数学函数?请根据流程推断。</think>### 模块分析
#### 1. **顶层模块 `top_design`**
- **功能**:实现完整的计算流程
- **输入**:16位半精度浮点数 `in`
- **输出**:
- `out`:最终计算结果
- `final_int`:整数部分的半精度浮点表示
- `result_mult`:第一次乘法结果
- **流程**:
1. 输入 `in` 与常数 `b`(0.1的近似值)相乘 → `result_mult`
2. 对 `result_mult` 取整数部分 → `result_int`
3. 将整数 `result_int` 转换为半精度浮点 → `final_int`
4. 计算小数部分:`result_mult - final_int` → `final_float`
5. 小数部分加常数 0.9567 → `final_float_ans`
6. 最终乘法:`final_int × final_float_ans` → `out`
---
#### 2. **乘法模块 `multiplication_16`**
```verilog
module multiplication_16(
input [15:0] a_operand, b_operand,
output Exception, Overflow, Underflow,
output [15:0] result
);
```
- **功能**:半精度浮点数乘法(IEEE 754标准)
- **关键逻辑**:
1. 处理特殊值(NaN/无穷大/零)
2. 符号位异或:`sign = a_sign ^ b_sign`
3. 指数计算:`exp_sum = exp_a + exp_b - 15`
4. 尾数相乘:`mantissa_product = {1'b1, mant_a} * {1'b1, mant_b}`
5. 规格化与舍入
6. 异常处理:
- `Exception`:非法操作(如 ∞×0)
- `Overflow`:结果过大
- `Underflow`:结果过小
---
#### 3. **整数部分提取模块 `pow2_integer_part_only`**
```verilog
module pow2_integer_part_only(
input [15:0] x_in, // 半精度浮点输入
output reg [15:0] result // 2^floor(x)
);
```
- **功能**:计算 2 的整数次幂(取输入浮点数的整数部分)
- **处理流程**:
1. 负数/零处理:输出 1
2. 解析浮点值:`value = (1 + mant/1024) * 2^(exp-15)`
3. 取整数部分:`int_part = floor(value)`
4. 计算 2^int_part:`result = 1 << int_part`
- **局限**:仅支持整数结果(移位实现)
---
#### 4. **整数转浮点模块 `int16_to_halfprecision`**
```verilog
module int16_to_halfprecision(
input signed [15:0] int_in,
output reg [15:0] half_out
);
```
- **功能**:16位整数 → 半精度浮点转换
- **转换步骤**:
1. 符号位直接复制
2. 计算绝对值 `abs_val`
3. 找最高位位置(MSB)
4. 指数计算:`biased_exp = msb_pos + 15`
5. 尾数截取:取高10位有效位
6. 组装:`{sign, biased_exp, mantissa}`
---
#### 5. **浮点减法模块 `fp16_subtractor`**
```verilog
module fp16_subtractor(
input [15:0] a, b,
output [15:0] result // a - b
);
```
- **关键步骤**:
1. 指数对齐:小指数操作数尾数右移
2. 尾数相减:`frac_diff = aligned_a - aligned_b`
3. 符号处理:根据大小关系确定结果符号
4. 规格化:左移尾数直到最高位为1
5. 特殊处理:`a==b` 时返回零
---
#### 6. **浮点加法模块 `half_precision_adder`**
```verilog
module half_precision_adder(
input [15:0] a, b,
output [15:0] result // a + b
);
```
- **简化实现特点**:
1. 仅处理正数(符号位固定为0)
2. 尾数扩展隐含位
3. 指数对齐(右移小指数操作数)
4. 尾数相加
5. 规格化:处理进位(右移尾数+指数加1)
---
### 设计问题总结
1. **加法器局限**:`half_precision_adder` 仅支持正数,需扩展符号处理
2. **减法器问题**:
- 循环规格化(`while`)不可综合 → 应改优先级编码器
- 未处理隐含位异常(如输入为0)
3. **整数模块**:`pow2_integer_part_only` 对负数处理不合理(应输出0而非1)
4. **常数意义**:`CONST_9567_Q14` 和 `b` 的物理意义不明确
5. **误差累积**:多次浮点运算可能导致精度损失
阅读全文
相关推荐


















