关于除法电路

发布时间：2015-12-7 15:15 发布者：designapp

除法，这个小学4年纪就开始学习和使用的方法却一直是我这个ASIC工程师心中的痛。我一直在思考如何能找到一个简单(硬件资源少)而快捷(时钟排数少)的通用除法电路。

其实简单的说除法可以用迭代的减法来实现，但是对于硬件，这恐怕要花很多时间。我也一直没有找到实现任意除法的好方法。但是对于某些除数固定的除法还是有一些办法的。

1)最容易想到的就是ROM查找表，但是ROM毕竟不是我们的目标，虽然ROM有时是不错的方法。

2)我开始仔细考虑这个问题是在做264解码时必须要处理QP的问题。这是一个除以6的计算，由于被除数不会大于52(6bit)，所以我简化了一个组合逻辑来实现。代码如下：

always@(idata)
begin
case(idata[5:3])
3'b000: begin
oquotient[3:1] = 3'b000;
if (idata[2:1]==2'b11)
begin
oquotient[0] = 1'b1;
end
else
begin
oquotient[0] = 1'b0;
end
end
3'b001: begin
oquotient[3:2] = 2'b00;
if (idata[2]==1'b1)
begin
oquotient[1:0] = 2'b10;
end
else
begin
oquotient[1:0] = 2'b01;
end
end
3'b010: begin
oquotient[3:1] = 3'b001;
if (idata[2:1]!=2'b00)
begin
oquotient[0] = 1'b1;
end
else
begin
oquotient[0] = 1'b0;
end
end
3'b011: begin
oquotient[3:1] = 3'b010;
if (idata[2:1]==2'b11)
begin
oquotient[0] = 1'b1;
end
else
begin
oquotient[0] = 1'b0;
end
end
3'b100: begin
oquotient[3:2] = 2'b01;
if (idata[2]==1'b1)
begin
oquotient[1:0] = 2'b10;
end
else
begin
oquotient[1:0] = 2'b01;
end
end
3'b101: begin
oquotient[3:1] = 3'b011;
if (idata[2:1]!=2'b00)
begin
oquotient[0] = 1'b1;
end
else
begin
oquotient[0] = 1'b0;
end
end
3'b110: begin
oquotient[3:1] = 3'b100;
if (idata[2:1]==2'b11)
begin
oquotient[0] = 1'b1;
end
else
begin
oquotient[0] = 1'b0;
end
end
3'b111: begin
oquotient[3:2] = 2'b10;
if (idata[2]==1'b1)
begin
oquotient[1:0] = 2'b10;
end
else
begin
oquotient[1:0] = 2'b01;
end
end
default: oquotient[3:0] = 4'd0;
endcase
end
//always@(idata)
//begin
// case(idata[3:1])
// 3'b000: rem_temp[1:0] = 2'b00;
// 3'b001: rem_temp[1:0] = 2'b01;
// 3'b010: rem_temp[1:0] = 2'b10;
// 3'b011: rem_temp[1:0] = 2'b00;
// 3'b100: rem_temp[1:0] = 2'b01;
// 3'b101: rem_temp[1:0] = 2'b10;
// 3'b110: rem_temp[1:0] = 2'b00;
// 3'b111: rem_temp[1:0] = 2'b01;
// default:rem_temp[1:0] = 2'b00;
// endcase
//end
//
//always@(idataor rem_temp)
//begin
// oremainder[0] = idata[0];
// case(idata[5:4])
// 2'b00,2'b11: oremainder[2:1] = rem_temp[1:0];
// 2'b01: oremainder[2:1] = {(~(rem_temp[1] | rem_temp[0])),rem_temp[1]};
// 2'b10: oremainder[2:1] = {rem_temp[0],(~(rem_temp[1] | rem_temp[0]))};
// default: oremainder[2:1] = rem_temp[1:0];
// endcase
//end

可见这个逻辑并不是很大，求商的逻辑不过是一个3bit的case里面套一级选择(if)，FPGA里不过就是一个ALU。时序也很好，百兆的钟都没有问题。我由此想到了，对于除数固定，被除数有一定范围限制的除法，还是可以用一定简化了逻辑实现的。

3)以下我们讨论的除法就由此先做一个前提的约束：被除数是8bit，除数我们将分别讨论3、5、7、11等质数的情况，其它的和数的除法可以分解成质数。

4) 除数为3(二进制2‘b11)

我最早的想法其实很简单，除以3是很困难的，但是除以4对于硬件确实非常简单的。所以也许可以通过对1/4进行一些调整来达到1/3的目的。这显然是要在1/4上加一点什么，加什么呢?我突然想到了无穷级数：

1/4 1/16 1/64 .........
其无穷级数求和和刚好是1/3。这似乎就简单了。不就是1/4 +1/16 +1/64 + .........
有一件事情是可能的，我们不能求无穷的加和，但是如果我们只要整数位，那也许就不需要无穷的加完。
temp[14：0] = {number[7:0],6'd0} + {number[7:0],4'd0} + {number[7:0],2'd0} + number[7:0];
result1[7:0] = temp[14:8] + ((number[7]==1'b1 && number[6:0]!=7'd0)? temp[7] : temp[7]&temp[6]);

number是8bit被除数，temp是number若干(这里这用了前4个)移位值的和，但是我们明白，这是不精确的，所以对此和进行一些调整。调整的方向一定是加一点什么(因为我们少加了很多数)，result1就是这个调整的逻辑。

从整体上看看这个逻辑：4个14位数的加法，一个选择逻辑和单bit加。逻辑不算太小(14bit加法电路还是不小的)，但是也不算太大(毕竟就是4个加法)。时序由加法电路来限制，综合的好应该到百兆是没有问题的。

5)除数为5(3'b101)

1/5显然和1/4比较近。我们仍然可以比较方便的写出这个无穷级数来：

1 - 1/4 + 1/16 - 1/64 ...........
这个的和是4/5不是1/5，但是再除个4就好了(这很方便的)。
temp[13:0]={number[7:0],6'd0} - {number[7:0],4'd0} + {number[7:0],2'd0} - number[7:0] + number[7:2] - number[7:4];
result1[7:0] = temp[13:6] + temp[5];
result2[5:0] = result1[7:2];

temp是number的6个移位值的和，result1是调整后的值，result2是result/4的商。这个逻辑怎么要加6个值的和呢?其实就是近似问题，如果加的个数少，那么后面那个调整电路就会复杂些。

6)除数为7(3'b111)

这个和1/3其实是类似的，我就不赘述了。

7)除数为11(4'b1011)

这个有点烦，和11近的2^n是8或16，这个级数似乎不好找。但是我一觉醒来突然明白了一个事情：任何一个小数都是可以化为2进制表示的，而其2进制表示其实就是一个2^n的数列的和，只不过是换了一种形式吧了。

于是1/11就是0.0001011101 | 0001011101 | 0001011101 | ...........
temp[14:0] = {number[7:0],6'd0} + {number[7:0],4'd0} + {number[7:0],3'd0} + {number[7:0],2'd0} + number[7:0] + number[7:4];
result1[7:0] = temp[14:10] + (temp[9]&temp[8]&temp[7]&temp[6]);

精度仍然只取了前6个有效的(是1)的数，然后在result1上做了一些补足的调整。

8)总结：其实到这里我们就已经清除了一件事----所有除数固定的除法都可以用上述确定的过程来实现。具体说就是：第一，将除数n变成乘以1/n，然后用2进制来表示这个1/n。第二，根据被除数的位数来选取合适的1/n的有效位数。第三，再根据具体的结果做一些调整。

1/N取多少有效位合适，取决与被除数的范围(被除数较大，就要多取几位)、逻辑大小的控制(加法越多，可能你的门数和时序多要付出代价)、一级最后那个调整的复杂程度(总不能太复杂吧)。

好了，到这里就先告一段落吧，但是我仍然没有从根本上真正解决任意除法的问题。我心中的通看来还要持续。不知有谁能最终来替我排解。

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