Verilog 4位全加减法器加法结果多1问题求助

问题现象 #

实现的4位全加减法器减法功能正常，但加法运算结果总是比正确值多1。例如0101 + 0101得到1011（正确结果应为1010）。

原代码 #

加减法器代码 #

module Add_sub(x,y,co,u,en);
  input [3:0] x, y;
  input en; // en=1: add;   en=0:sub
  output [3:0] u;
  output co;

  wire [3:1]carry;
  FA M0(x[0],   y[0],   en,     en, u[0],   carry[1]);
  FA M1(x[1],   y[1],   carry[1],   en, u[1],   carry[2]);
  FA M2(x[2],   y[2],   carry[2],   en, u[2],   carry[3]);
  FA M3(x[3],   y[3],   carry[3],   en, u[3],   co);

endmodule

module FA(x,y,cin,en,u,co);
  input x, y, cin, en;
  output u, co;

  wire b = !x^en;
  assign u = x^y^cin;
  assign co = (b&y)|(b&cin)|(y&cin);

endmodule

测试平台代码 #

`timescale 1ns/1ns

module testbench();
  reg [3:0]x, y;
  reg en;
  wire[3:0]u;
  wire co;
  
  Add_sub tb(.x(x), .y(y), .co(co), .u(u), .en (en));

  initial begin
    $monitor ($time, "x=%b, y=%b, co=%b, u=%b, en=%b",x,y,co,u,en);
  end

  initial begin
    #0  x=5;    y=5;    en=1;   // 加法操作
    #20 x=5;    y=5;    en=0;   // 减法操作
    #20 x=8;    y=1;    en=1;   // 加法操作
    #20 x=8;    y=1;    en=0;   // 减法操作
    #20 $stop;
  end
endmodule

仿真波形 #

错误分析 #

1. 最低位初始进位错误：加法模式（en=1）下，最低位的初始进位应为0，但原代码中M0的cin接的是en，导致加法时初始进位为1，直接让结果多了1。减法模式需要初始进位1（因为减法等价于x + ~y + 1），所以初始进位应该是~en。

2. 全加器(FA)内部逻辑错误：

   • 取反信号b的逻辑完全错误，原代码b = !x^en与加减控制无关，正确逻辑应为：加法时b=y，减法时b=~y，即b = en ? y : ~y。
   • 和u的计算应使用取反后的b而非原始y，原代码u = x^y^cin未考虑减法时y的取反，导致逻辑错误。
   • 进位co的计算错误，应基于x、b、cin计算，而非b、y、cin，正确的进位逻辑是(x&b) | (x&cin) | (b&cin)。

修复后的代码 #

修正后的加减法器代码 #

module Add_sub(x,y,co,u,en);
  input [3:0] x, y;
  input en; // en=1: add;   en=0:sub
  output [3:0] u;
  output co;

  wire [3:1]carry;
  // 修正最低位初始进位：加法cin=0，减法cin=1
  FA M0(x[0], y[0], ~en, en, u[0], carry[1]);
  FA M1(x[1], y[1], carry[1], en, u[1], carry[2]);
  FA M2(x[2], y[2], carry[2], en, u[2], carry[3]);
  FA M3(x[3], y[3], carry[3], en, u[3], co);

endmodule

module FA(x,y,cin,en,u,co);
  input x, y, cin, en;
  output u, co;

  // 修正取反逻辑：加法用y，减法用~y
  wire b = en ? y : ~y;
  // 和计算使用取反后的b
  assign u = x ^ b ^ cin;
  // 修正进位计算逻辑
  assign co = (x & b) | (x & cin) | (b & cin);

endmodule

验证说明 #

修复后重新运行测试平台：

• 加法5+5会得到正确结果1010，进位1；
• 减法5-5结果为0000，进位0（无借位）；
• 加法8+1结果为1001，符合预期。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者JarvisLYu1