Thiết kế bộ nhân Vedic 16x16 sử dụng bộ cộng SQR Brent Kung và Modified

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Bộ MÔN ĐIỆN TỬ oOo NGUYỀN MẠNH TUÁN THIẾT KẾ BỘ NHÂN VEDIC 16x16 SỬ DỤNG BỘ CỘNG SQR BRENT KUNG VÀ MODIFIED KOGGE-STONE Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh tháng năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS TRẦN HOÀNG LINH Cán chấm nhận xét 1: TS Bùi Trọng Tú Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Minh Son Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 05 tháng 07 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS Hoàng Trang TS Bùi Trọng Tú TS Nguyễn Minh Sơn TS Trương Quang Vinh TS Nguyễn Lý Thiên Trường Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ’ Độc lập - Tự - Hạnh phúc - — NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ I Họ tên học viên: NGUYỄN MẠNH TUẤN MSSV: 1670364 Ngày, tháng, năm sinh: 24/11/1987 Nơi sinh: Hải Dương Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.02.03 TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế nhân Vedic 16x16 sử dụng cộng SQR Brent Kung Modified Kogge-Stone II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu phương pháp cộng sử dụng - Nghiên cứu nhân Vedic, thiết kế nhân Vedic sử dụng cộng song song mô kết ModelSim - Nghiên cứu, thiết kế sơ đồ sơ đồ nhân Vedic Virtuoso tool dựa cộng khác cải tiến cộng, tính tốn độ trễ, cơng suất tìm nhân tối ưu III NGÀY GIAO NHIỆN VỤ: 11/02/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019 V CÁN Bộ HUỚNG DẪN: Tiến Sỹ Trần Hoàng Linh Tp.HCM, ngày tháng năm 2019 CHỦ NHIỆM Bộ MÔN CÁN Bộ HUỚNG DẪN TRUỞNG KHOA GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Trước hết, muốn gửi lời cám ơn chân thành với TS Trần Hoàng Linh người ân cần nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ trinh thực Luận văn tốt nghiệp Thầy định hướng cho ý tưởng giải khó khăn gặp phải mà dành nhiều thời gian để giúp tơi hồn thành luận văn thời hạn Tơi muốn cám ơn thầy cô Hội Đồng Luận Văn dành thời gian để đọc báo cáo đề tài tơi đồng thời góp thêm ý kiến để luận văn tơi hồn thiện Cuối cùng, muốn cám ơn gia đĩnh bạn bè tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành tốt Đe tài luận văn TÁC GIẢ Nguyễn Mạnh Tuấn Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Hoàng Linh TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày phuơng pháp cải tiến phép nhân Vedic dựa việc sử dụng cộng thành phần đuợc phát triển (Modified Kogge Stone Brent Kung) Kết nhận đuợc phuơng pháp nhân mới, đuợc so sánh với phép nhân sử dụng cộng truyền thống (Ripple Carry Adder, Carry Save Adder) phuơng diện độ trễ, đua nhân Vedic có tối uu mặt tốc độ Sau việc sử dụng phuơng pháp thiết kế cổng logic (new XOR-XNOR gate) ta áp dụng nhân có tốc độ tốt nhằm làm giảm công suất xuống mức chấp nhận đuợc This dissertation presents a method to improve Vedic multiplication based on the use of the adder components that are being developed (Modified Kogge Stone and Brent Kung) The results of obtaining a new multiplication method that will be compared with multiplication using traditional adders (Ripple Carry Adder, Carry Save Adder) in delay, giving the Vedic multiplier with speed optimization Then by using the new logic gate design methods (new XOR-XNOR gate), we will apply on the best speed multiplication to reduce the power down to an acceptable level GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.3 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CHƯƠNG Cơ SỞ LÝ THUYẾT .5 2.1 BỘNHÂNVEDIC 2.2 CÁC CHỈ số CẦN ĐO 2.2.1 Độ trễ 2.2.2 Công suất CHƯƠNG THIẾT KẾ CHỨC NĂNG VÀ THIẾT KẾ LOGIC 11 3.1 CÁC BỘ CỘNG ĐƯỢC SỬ DỤNG THIẾT KẾ CÁC BỘ NHÂN VEDIC11 3.1.1 Thiết kế 1: sử dụng Ripple Carry Adder(RCA) 11 3.1.2 Thiết kế 2: sử dụng Carry Save Adder 12 3.1.3 Thiết kế 3: sử dụng Bren Kung Adder 13 3.1.4 Thiết kế 4: sử dụng Kogge Stone 16 3.1.5 Thiết kế 5: sử dụng Modified Kogge Stone Adder .18 3.1.6 Thiết kế 6: sử dụng Modified Kogge Stone Adder Regular Square Root Brent Kung Carry Select Adder 19 3.2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ NHÂN VEDIC 16X16 20 3.3 THIẾT KẾ CÁC BỘ NHÂN SỬ DỤNG: NEW EXOR, XNOR GATE, VÀ BỘ CỘNG FULL ADDER sử DỤNG NEW EXOR, ENOR GATE 25 CHƯƠNG KẾT QUẢ THựC HIỆN SCHEMATIC VÀ ĐO ĐẠC THƠNG SĨ 27 4.1 CÁC BỘ NHÂN ĐƯỢC THIẾT KẾ TỪ CÁC BỘ CỘNG 27 4.1.1 Bộ nhân Vedic 2x2 27 4.1.2 Bộ nhân Vedic 4x4 28 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Hoàng Linh 4.1.3 Bộ nhân Vedic 8x8 28 4.1.4 Bộ nhân Vedic 16x16 29 4.2 MƠ HÌNH NEW EXOR, XNOR GATE, VÀ BỘ CỘNG FULL ADDER SỬ DỤNG NEW EXOR, ENORGATE 32 4.3 CÔNG SUẤT VÀ ĐỘ TRỄ CỦA BỘ NHÂN VEDIC VỚI CÁC BỘ CỘNG KHÁC NHAU VÀ CỔNG NEW XOR …………………………………………33 4.3.1 MƠ dạng sóng ngõ 33 4.3.2 Công suất độ trễ phuơng pháp khác 41 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 42 5.1 KẾT LUẬN 42 5.2 ĐỀ NGHỊ HUỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 42 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Hồng Linh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 So sánh tốc độ phương pháp nhân Hình 1.2 Một số cơng trình nghiên cứu nhân Vedic giới Hình 2.1- Alternative way of multiplication by Urdhva tiryakbhyam Sutra Hình 2.2- Hardware Realization of 2x2 block Hình 2.3- 16x16 bits Vedic multiplier Hình 2.4- Định nghĩa trễ truyền Hình 3.1 Architecture of bits Ripple Carry Adder (RCA) 11 Hình 3.2- bits Ripple Cary Adder(RCA) 12 Hình 3.3- Full Adder 12 Hình 3.4- Architecture of Carry Save Adder 13 Hình 3.6 Carry Network 14 Hình 3.7- Architecture of of 8-Bits Brent Kung Adder 15 Hình 3.8- 8-Bits Brent Kung Adder 15 Hình 3.9- Architecture of the Bit KoggeStone Adder 16 Hình 3.10- 8-Bits Bit KoggeStone Adder-pl 17 Hình 3.11- 8-Bits Bit KoggeStone Adder-p2 17 Hình 3.12- Architecture of the Modified Kogge Stone Adder 18 Hình 3.13- Modified Kogge Stone Adder 19 Hình 3.14- Architecture of 16-bit Regular Square Root BK CSA 20 Hình 3.15-16-bit Regular Square Root BK CSA 20 Hình 3.16- Schematic nhân Vedic 2x2 21 Hình 3.17 Half adder Hình 3.18 Truth Table for half adder 21 Hình 3.19: kết mơ test bench nhân Vedic 2x2 22 Hình 3.20: Schematic nhân 4x4 22 Hình 3.21: kết mơ test bench nhân Vedic 4x4 23 Hình 3.22: Schematic nhân 8x8 23 Hình 3.23: kết mơ test bench nhân Vedic 8x8 24 Hình 3.24: Schematic nhân 16x16 24 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Hoàng Linh Hình 3.25: kết mơ test bench nhân Vedic 16x16 25 Hình 3.26- new XOR-XNOR gate 25 Hình 3.27- new full adder sử dụngXOR-XNOR gate 26 Hình ỉ-Schematic Vedic 2x2 27 Hình 4.2-Schematic Vedic 4x4 28 Hình 4.3-Schematic Vedic 8x8 28 Hình 4.4-Schematic Vedic 16x16 29 Hình 4.5-Schematic bits Carry Save Adder 29 Hình 4.6-Schematic bits Ripple Carry Adder 30 Hình 4.7-Schematic 24 bits Modified Kogge Stone 30 Hình 4.8-Schematic 24 bits Regular SQRTBK CSA 31 Hình 4.9-Schematic 16 bits Regular SQRTBK CSA 31 Hình 4.10- Schematic new XOR 32 Hình 4.11-New full adder_22T 32 Hình 4.12-thơng so thiết lập cho dạng sóng ngõ vào 34 Hình 4.13-mơ hình dạng sóng ngõ vào 34 Hình 4.14-sóng ngõ vào nguồn 35 Hình 4.15-sóng ngõ vào nguồn 36 Hình 4.16-mơ hình mơ đo thơng so thiết kế 37 Hình 4.17-sóng ngõ 39 Hình 4.18-cơng suất nhân Vedic Carry Save Adder với full adder cải tiến 40 Hình 4.19-độ trễ Vedicỉ 6x16 Modified Koggstone với congXOR cải tiến 40 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ DANH SÁCH BẢNG Bảng 4.1 chu kì độ rộng xung nguồn dc dùng mô 33 Bảng 4.2- kết mô phép nhân 39 Bảng 4.3- kết mô công suất độ trễ nhân 41 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT FA HA RCA BK CSA SQRT BK CSA Full Adder half adder Ripple Carry Adder Brent Kung Carry Select Adder SQuare RooT Brent Kung Carry Select Adder GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ assign CP28 = CP18; assign CG28 = CGI 8; assign CP29 = CP 19; assign CG29 = CGI 9; assign CP210 = CPI 10&CP18; assign CG210 = (CP 11 O&CG 18)|CG 110; assign CP211 = CPI 11&CP19; assign CG211 = (CP111&CG19)|CG111; assign CP212 = CPI 12; assign CG212 = CGI 12; assign CP213 = CPI 13; assign CG213 = CG113; assign CP214 = CPI 14&CP112; assign CG214 = (CPI 14&CG112)|CG114; assign CP215 = CPI 15&CP113; assign CG215 = (CP 115 &CG 113) |CG 115; assign CP216 = CPI 16; assign CG216 = CG116; assign CP217 = CPI 17; assign CG217 = CGI 17; assign CP218 = CP 118&CP 116; 24 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ assign CG218 = (CP 118&CG 116) |CG 118; assign CP219 = CPU 9&CP 117; assign CG219 = (CP 119&CG 117) |CG 119; assign CP220 = CP120; assign CG220 = CGI20; assign CP221 = CP121; assign CG221 = CG121; assign CP222 = CP122&CP120; assign CG222 = (CP122&CG120)|CG122; assign CP223 = CP123&CP121; assign CG223 = (CP123&CG121)|CG123; assign CG33 = CG23; assign CP34 = CP24&CP22; assign CG34 = (CP24&CG22)|CG24; assign CP35 = CP25&CP23; assign CG35 = (CP25&CG23)|CG25; assign CP36 = CP26&CP22; assign CG36 = (CP26&CG22)|CG26; assign CP37 = CP27&CP23; assign CG37 = (CP27&CG23)|CG27; 25 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ assign CP38 = CP28; assign CG38 = CG28; assign CP39 = CP29; assign CG39 = CG29; assign CP310 = CP210; assign CG310 = CG210; assign CP311= CP211; assign CG311 = CG211; assign CP312 = CP212&CP210; assign CG312 = (CP212&CG210)|CG212; assign CP313 = CP213&CP211; assign CG313 = (CP213 &CG211) |CG213; assign CP314 = CP214&CP210; assign CG314 = (CP214&CG210)|CG214; assign CP315 = CP215&CP211; assign CG315 = (CP215&CG211)|CG215; assign CP316 = CP216; assign CG316 = CG216; assign CP317 = CP217; assign CG317 = CG217; assign CP318 = CP218; 26 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ assign CG318 = CG218; assign CP319 = CP219; assign CG319 = CG219; assign CP320 = CP220&CP218; assign CG320 = (CP220&CG218)|CG220; assign CP321 = CP221&CP219; assign CG321 = (CP221&CG219)|CG221; assign CP322 = CP222&CP218; assign CG322 = (CP222&CG218)|CG222; assign CP323 = CP223&CP219; assign CG323 = (CP223&CG219)|CG223; assign CG48 = (CP38&CG36)|CG38; assign CG49 = (CP39&CG37)|CG39; assign CG410 = (CP310&CG36)|CG310; assign CG411 = (CP311&CG37)|CG311; assign CG412 = (CP312&CG36)|CG312; assign CG413 = (CP313&CG37)|CG313; assign CP414 = CP314&CP36; assign CG414 = (CP314&CG36)|CG314; assign CP415 = CP315&CP37; 27 Luận văn thạc sĩ assign CG415 = (CP315&CG37)|CG315; assign CP416 = CP316; assign CG416 = CG316; assign CP417 = CP317; assign CG417 = CG317; assign CP418 = CP318; assign CG418 = CG318; assign CP419 = CP319; assign CG419 = CG319; assign CP420 = CP320; assign CG420 = CG320; assign CP421 = CP321; assign CG421 = CG321; assign CP422 = CP322; assign CG422 = CG322; assign CP423 = CP323; assign CG423 = CG323; assign CG515 = CG415; assign CG516 = (CP416&CG414)|CG416; assign CG517 = (CP417&CG415)|CG417; 28 GVHD: TS Trần Hoàng Linh GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ assign CG518 = (CP418&CG414)|CG418; assign CG519 = (CP419&CG415)|CG419; assign CG520 = (CP420&CG414)|CG420; assign CG521 = (CP421&CG415)|CG421; assign CG522 = (CP422&CG414)|CG422; assign CG523 = (CP423&CG415)|CG423; assign co = CG523; assign S[0] = POO; assign S[l] =P01ACG10; assign S[2] =P02ACG21; assign S[3] = P03ACG22; assign S[4] = P04ACG33; assign S[5] = P05ACG34; assign S[6] = P06ACG35; assign S[7] = P07ACG36; assign S[8] = P08ACG37; assign S[9] = P09ACG48; assign S[10] =P010ACG49; assign S[ll] =P011ACG410; 29 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ assign S[12] = assign S[ 13] = = P012ACG411; = P013ACG412; assign S[14] = = P014ACG413; assign S[ 15] = = P015ACG414; assign S[16] = = P016ACG515; assign S[17] = = P017ACG516; assign S[18] = = P018ACG517; assign S[ 19] = = P019ACG518; assign S[20] = = P020ACG519; assign S[21] = = P021ACG520; assign S[22] = assign S[23] = = P022ACG521; = P023ACG522; assign sum = {S[23:0]}; endmodule module t_vedicl6xl6; reg [15:0]t_a; reg [15:0]t_b; wire [31:0]t_sum; wire t_co; 30 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ vediclóxló u( t_a,t_b,t_sum,t_co); initial begin #50 t_a = 16'h0131; t_b = 16'h2367; #50 t_a = 16'hl231; t_b = 16'h4567; #50 t_a = 16'h0122; t_b = 16'h2345; #50 t_a = 16'h2127; t_b = 16'halc7; #50 t_a = 16'hcac2; t_b = 16'halcf; #50 t_a = 16'hOOOO; t_b = 16'hffff; #50 31 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ t_a = 16'hffff; t_b = 16'hffff; #50 t_a = 16'h0731; t_b = 16'h2967; #50 t_a = 16'h9253; t_b = 16'h4567; #50 t_a = 16'h0122; t_b = 16'h2745; #50 t_a = 16'h2927; t_b = 16'halc7; #50 t_a = 16'hcac2; t_b = 16'haacf; #50 t_a = 16'hOOOO; t_b = 16'hffff; #50 32 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ t_a = 16'hffff; t_b = 16'hfDff; #50 t_a = 16'h0131; t_b = 16'h7367; #50 t_a = 16'hl23f; t_b = 16'h4567; #50 t_a = 16'hdl22; t_b = 16'h2345; #50 t_a = 16'hfl27; t_b = 16'hald7; #50 t_a = 16'hlac2; t_b = 16'halcf; #50 t_a = 16'hOdOO; t_b = 16'hffff; #50 33 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ t_a = 16'hfDff; t_b = 16'hff f; #50 t_a = 16'h0131; t_b = 16'h2367; #50 t_a = 16'hl231; t_b = 16'h4567; #50 t_a = 16'h0122; t_b = 16'h2345; #50 t_a = 16'h2127; t_b = 16'halc7; #50 t_a = 16'hcac2; t_b = 16'halcf; #50 t_a = 16'hOOOO; t_b = 16'hffff; #50 34 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ t_a = 16'hffff; t_b = 16'hffff; #50 t_a = 16'h0731; t_b = 16'h2967; #50 t_a = 16'h9253; t_b = 16'h4567; #50 t_a = 16'h0122; t_b = 16'h2745; #50 t_a = 16'h2927; t_b = 16'halc7; #50 t_a = 16'hcac2; t_b = 16'haacf; #50 t_a = 16'hOOOO; t_b = 16'hffff; #50 35 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ t_a = 16'hffff; t_b = 16'hfDff; #50 t_a = 16'hel31; t_b = 16'h7367; #50 t_a = 16'hl23f; t_b = 16'h4d67; #50 t_a = 16'hdl02; t_b = 16'h2345; #50 t_a = 16'hfl27; t_b = 16'hald3; #50 t_a = 16'hla22; t_b = 16'halcf; #50 t_a = 16'hOdOl; t_b = 16'hfOff; #50 36 GVHD: TS Trần Hoàng Linh Luận văn thạc sĩ t_a = 16'hfDff; t_b = 16'hff f; end endmodule 37 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN MẠNH TUẤN Ngày, tháng, năm sinh: 24/11/1987 Nơi sinh: Hải Dương Địa liên lạc: Hồ Chí Minh, Việt Nam, 1670364@hcmut.edu.vn Q TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học : Học trường Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, Ngành: ĐiệnTự Động từ năm 2005-2010 Sau đại học : học trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, Ngành: Kỹ thuật Điện tử Khoa: Điện - Điện tử, đợt năm 2016-2019 Q TRÌNH CƠNG TÁC Làm công ty TNHH thương mại dịch vụ kĩ thuật Logicom Làm nhân viên kĩ thuật Trung Tâm Khai Thác Ga Tân Sơn Nhất tổng công ty Hàng Không Việt Nam từ 2013-nay ... TÀI: Thiết kế nhân Vedic 16x16 sử dụng cộng SQR Brent Kung Modified Kogge-Stone II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu phương pháp cộng sử dụng - Nghiên cứu nhân Vedic, thiết kế nhân Vedic sử dụng. .. TRÌNH THIẾT KẾ BỘ NHÂN VEDIC 16X16 20 3.3 THIẾT KẾ CÁC BỘ NHÂN SỬ DỤNG: NEW EXOR, XNOR GATE, VÀ BỘ CỘNG FULL ADDER sử DỤNG NEW EXOR, ENOR GATE 25 CHƯƠNG KẾT QUẢ THựC HIỆN SCHEMATIC VÀ... THIẾT KẾ CÁC BỘ NHÂN VEDIC1 1 3.1.1 Thiết kế 1: sử dụng Ripple Carry Adder(RCA) 11 3.1.2 Thiết kế 2: sử dụng Carry Save Adder 12 3.1.3 Thiết kế 3: sử dụng Bren Kung Adder 13 3.1.4 Thiết