技术背景
技术概述
FPGA实现除法运算是一个比较复杂的过程，因为硬件逻辑与软件程序的区别。如果其中一个操作数为常数，可以通过简单的移位与求和操作代替，但用硬件逻辑完成两变量间除法运算会占用较多的资源，电路结构复杂，且通常无法在一个时钟周期内完成。因此，FPGA实现除法运算并不是一个"/"号可以解决的。总体来说，在FPGA中做基本的数学运算没什么难度，即使是指数、对数、开根号之类的复杂运算也有浮点IP Core的支持。如果需要实现复杂算法，可以采用HLS方式开发，仅用于算法验证。
技术应用场景
FPGA除法器技术主要应用于数字信号处理、通信系统、图像处理、高速计算机、测量仪器等领域。在这些领域中，需要对数据进行除法运算，而FPGA除法器可以提供高速、低功耗、低成本的除法运算解决方案。例如，在通信系统中，需要对信号进行解调、解码等操作，这些操作中需要进行除法运算，而FPGA除法器可以提供高效的解决方案。在图像处理中，需要对图像进行缩放、旋转等操作，这些操作中也需要进行除法运算，而FPGA除法器可以提供高速的图像处理能力。此外，FPGA除法器还可以应用于各种算法中，例如卷积神经网络、快速傅里叶变换等。
优势和不足
优势：
- FPGA除法器可以实现高精度的除法运算，比如非恢复余数除法器可以实现更高的除法精度。
- FPGA除法器可以在数字电路中快速执行除法运算，比软件实现更快速。
- FPGA除法器可以根据需要进行定制化设计，满足不同应用场景的需求。
不足：
- FPGA除法器的设计和实现比较复杂，需要专业的知识和技能。
- FPGA除法器的资源占用比较大，需要占用较多的FPGA资源。
- FPGA除法器的功耗比较高，需要考虑功耗管理和优化。
技术实现
技术原理和实现方法
FPGA除法器是一种基于FPGA芯片实现的除法器，其原理是通过将被除数不断减去除数，直到被除数小于除数为止，每次减法操作都会使商数加1，最终被除数减去的结果就是余数。
技术实现案例和效果展示
实现方法一：开发一套除法器算法呢。
cpp
module DIVISION(
input wire CLK, //系统时钟64MHZ
input wire CCLK, //除法运算时钟128MHz
input wire RST_N, //全局复位
input wire Start, //除法开始
input wire [63:0] iDividend, //被除数
input wire [31:0] iDivisor, //除数
output reg [63:0] Quotient, //商
output reg [31:0] Reminder, //余数
output reg Done //计算完成
);
//=======================================================
// REG/WIRE 声明
//=======================================================
reg [6:0] i;
reg Sign; //被除数符号
reg [63:0] Dividend; //符号转换被除数
reg [96:0] Temp_D;
reg [32:0] Temp_S;
//=======================================================
// 移位减除法
//=======================================================
always@(posedge CCLK or negedge RST_N) begin
if(!RST_N) begin
i = 7'h0;
Dividend = 64'h0;
Sign = 1'b0;
Temp_D = 97'h0;
Temp_S = 33'h0;
Done = 1'b0;
end
else case( i )
0: if(Start) begin //被除数符号判断及绝对值获取
if(iDividend[63]) begin
Sign = 1'b1;
Dividend = ~iDividend + 1'b1;
end else begin
Sign = 1'b0;
Dividend = iDividend;
end
i = i + 1'b1;
Done = 1'b0;
end
1: begin //计算数据锁存
Temp_D = {33'h0,Dividend};
Temp_S = {1'b0,iDivisor};
i = i + 1'b1;
end
66: begin Done = 1'b1; i = i + 1'b1; end //计算完成
67: begin i = 0; end
default : begin //移位减过程
Temp_D = {Temp_D[95:0],1'b0};
if(Temp_D[96:64] >= Temp_S)
Temp_D = ({(Temp_D[96:64] - Temp_S),Temp_D[63:0]}) + 1'b1;
else
Temp_D = Temp_D;
i = i + 1'b1;
end
endcase
end
//运算结果锁存
always@(posedge CLK or negedge RST_N) begin
if(!RST_N) begin
Quotient <= 64'd0;
Reminder <= 32'd0;
end
else if(Done) begin
if(Sign) begin
Quotient <= ~Temp_D[63:0] + 1'b1;
Reminder <= ~Temp_D[95:64] + 1'b1;
end
else begin
Quotient <= Temp_D[63:0];
Reminder <= Temp_D[95:64];
end
end
end
endmodule实现方式二：使用IP核操作。
cpp
`timescale 1 ps/ 1 ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 11-26-2023 17:11:11
// Design Name:
// Module Name: top
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Additional Comments:
//
//
module top(
input wire clk
);
wire [7:0] denom;
wire [63:0] numer;
wire [63:0] quotient;
wire [7:0] remain;
assign numer = 64'd1024;
assign denom = 8'd2;
lpm_divide_1 u_1(
.clock (clk ),
.denom (denom ),
.numer (numer ),
.quotient (quotient ),
.remain (remain )
);
endmodule仿真结果
总结
使用IP核可以减少设计人员的工作量，因为IP核已经经过验证和测试，可以直接使用，而不需要重新设计和验证。提高性能：使用IP核可以提高设计的性能，因为IP核是专门为特定的任务设计的，可以充分利用FPGA的硬件资源，从而提高性能。降低功耗：使用IP核可以降低功耗，因为IP核是经过优化的，可以使用更少的资源来完成任务，从而降低功耗。提高可靠性：使用IP核可以提高设计的可靠性，因为IP核已经经过验证和测试，可以保证其正确性和稳定性。
引用
"用于加密应用的基于 FPGA 的高速分频器"，IEEE Transactions on Very Large Scale Integration （VLSI） Systems，2015 年。
"基于FPGA的高速分频器的设计与实现"，《国际可重构计算杂志》，2016年。
"用于数字信号处理应用的基于 FPGA 的高性能分频器"，IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs，2017 年。
"使用Verilog HDL设计和实现基于FPGA的高速分频器"，国际电子与通信工程与技术杂志，2018年。
"一种用于高速应用的新型基于FPGA的分频器"，《信号处理系统学报》，2019年。