布斯算法（Booth Algorithm）乘法器的Verilog实现

布斯算法介绍

Booth 的算法检查有符号二的补码表示中 'N'位乘数 Y 的相邻位对，包括低于最低有效位 y−1 = 0 的隐式位。对于每个位 yi，对于从 0 到 N − 1 的 i，考虑位 yi 和 yi−1。当这两个位相等时，乘积累加器P保持不变。其中 yi = 0 且 yi−1 = 1，乘以 2i 添加到 P;其中 yi = 1 且 yi−1 = 0，则从 P 中减去乘以 2i。P 的最终值为有符号结果。

未指定乘数和乘积的表示形式;通常，这些也都在二的补码表示中，就像乘数一样，但是任何支持加法和减法的数字系统也可以工作。如此处所述，步骤的顺序尚未确定。通常，它从LSB到MSB，从i = 0开始;然后乘以2i通常被P累加器在步长之间向右的增量移位所取代;低位可以移出，然后可以在P的最高N位上进行后续的加法和减法。

该算法通常被描述为将乘数中 1 的字符串转换为字符串末端的高阶 +1 和低阶 −1。当字符串通过 MSB 运行时，没有高阶 +1，并且净效应被解释为相应值的负数。

计算步骤

使用的寄存器：A，M，Q，Qres（Qres是Q右移后的残余位），n（计数器）

第1步： 加载寄存器的初始值。

A = 0（累加器），Qres = 0，M = 乘法，Q = 乘法器，n是等于乘法器位数的计数值。

第2步： 检查 {Q0，Qres} 的值。如果为 00 或 11，请转到步骤 5。如果为01，转到步骤3。如果为 10，转到步骤 4。

第3步： 执行 A = A + M，转到步骤 5。

第4步： 执行 A = A - M。

第5步： 执行 {A，Q，Qres} 的算术位移和递减计数。

第6步： 检查计数器值 n 是否为零。如果是，请转到下一步。否则转到步骤 2。

第7步： 停止计算，输出计算结果。

计算流程图

以下是布斯计算的流程图，从图中可以清楚的看出计算的过程，简单的来说就是判定乘数的最低位和次低位，如果两位相同则直接执行移位操作，如果两者不同，如为“10”则将原始值减去被乘数，如为“01”则将原始值加上被乘数。

举个栗子

下面就以被乘数为6，乘数为-4为例，做一个计算过程的举例。

1. 将所有寄存器初始化，累加器A初始化为0，乘数加载寄存，最低位移出位设定为0。
2. 判定最低位和移出位为“00”，不进行加减操作，将结果结果值右移一位。
3. 判定最低位和移出位为“00”，不进行加减操作，将结果结果值右移一位。
4. 判定最低位和移出位为“10”，对累加器减去被乘数，并将结果结果值右移一位，注意此时累加器A为负数。
5. 判定最低位和移出位为“10”，不进行加减操作，将结果结果值右移一位，此时累加器为负数，因此右移最高位补1。
6. 判定最低位和移出位为“10”，不进行加减操作，将结果结果值右移一位，此时累加器为负数，因此右移最高位补1。
7. 计数器为0表示计算完成，停止计算并输出计算结果值。

Verilog 实现

设计思想

总的来说和上面提到的计算步骤是一致的，利用三段状态机实现，分别为空闲状态、计算状态和完成状态，其中空闲状态等待开始计算信号的到来，计算状态完成布斯计算步骤，完成状态输出结果数据以及同步的有效标志信号。

Verilog 代码

/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*Engineer    : Linest-5                                                         
/*File        : booth_multiple.v                                                         
/*Create      : 2022-08-27 16:40:34
/*Revise      : 2022-08-27 16:40:34                                                  
/*Module Name : booth_multiple                                                  
/*Description : 基于布斯算法的乘法器设计                                                                         
/*Editor : sublime text3, tab size (4)                                                                                
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/

modulebooth_multiple(
inputclk,
inputrst,
inputstart,
inputsigned [3:0]   X,
inputsigned [3:0]   Y,
outputreg signed [7:0]   Z,
outputvalid
);

/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*参数和信号申明                                                              */
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
parameterIDLE      =  3'b001;
parameterCACULATE  =  3'b010;
parameterFINISH    =  3'b100;
reg[2:0]   state;
reg[2:0]   next_state;
reg[1:0]   q_reg;           //右移最后两位寄存 
reg[2:0]   cnt;             //右移次数计数信号  
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*三段状态机                                                                  */
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
//状态机第一段，状态初始化，时序逻辑非阻塞赋值
always @(posedge clk or posedge rst) begin
  if (rst) begin
    state <= IDLE;
  end
  else begin
    state <= next_state;
  end
end
//状态机第二段，状态跳转，组合逻辑阻塞赋值
always @(*) begin
  next_state = state;
  case(state)
    IDLE: begin
      if (start) begin
        next_state = CACULATE;
      end
      else begin
        next_state = IDLE;
      end
    end
    CACULATE: begin
      if (cnt == 'd3) begin
        next_state = FINISH;
      end
      else begin
        next_state = CACULATE;
      end
    end
    FINISH: begin
      next_state = IDLE;
    end
  endcase
end

//状态机第三段，结果输出，时序逻辑非阻塞赋值
always @(posedge clk or posedge rst) begin
  if (rst) begin
    cnt   <= 'd0;
    q_reg <= 'd0;
    Z     <= 'd0;
  end
  else begin
    case(state)
      IDLE: begin
        cnt   <= 'd0;
        q_reg <= {Y[cnt],1'b0};
        Z     <= {4'b0000,Y};
      end
      CACULATE: begin
        cnt   <= cnt + 'd1;
        q_reg <= {Y[cnt+1],Y[cnt]};
        case(q_reg)
          2'b00,2'b11: begin
            Z <= $signed(Z) >> >1;
          end
          2'b10: begin
            Z <= $signed({Z[7:4]-X,Z[3:0]}) >> >1;
          end
          2'b01: begin
            Z <= $signed({Z[7:4]+X,Z[3:0]}) >> >1;            
          end
        endcase
      end
      FINISH: begin
        cnt   <= 'd0;
        q_reg <= 'd0;
        Z     <= Z;        
      end          
    endcase
  end
end
assign valid = (state==FINISH);
endmodule

TestBench 代码

/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/ 
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/* Engineer    : Linest-5                                                         
/* File        : tb_booth_multiple.v                                                         
/* Create      : 2022-08-27 19:22:46
/* Revise      : 2022-08-27 20:21:49                                                  
/* Module Name : tb_booth_multiple                                                  
/* Description : 基于布斯算法的乘法器仿真模块                                                                         
/* Editor : sublime text3, tab size (4)                                                                                
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/

`timescale 1ns/1ns
module tb_booth_multiple();
  reg                 clk;
  reg                 rst;
  reg                 start;
  reg  signed [3:0]   X;
  reg  signed [3:0]   Y;
  wire signed [7:0]   Z;
  wire                valid;

  initial begin
    clk = 'd0;
    rst = 'd1;
    #20
    rst = 'd0;
  end
  always #10 clk = ~clk;
  initial begin
    #20
    X = 6;
    Y = -4;
    start = 'd0;
    #50
    start = 'd1;
    #20
    start = 'd0;
    #200
    X = 7;
    Y = -5;
    start = 'd1;
    #20
    start = 'd0;
    #200
    X = 7;
    Y = 5;
    start = 'd1;
    #20
    start = 'd0;
  end


booth_multiple inst_booth_multiple (
  .clk   (clk),
  .rst   (rst),
  .start (start),
  .X     (X),
  .Y     (Y),
  .Z     (Z),
  .valid (valid)
);

endmodule

仿真波形

分别进行有符号的乘法，6和-4、7和-5、7和5，可以看到仿真波形中，正确的得到了计算结果，并且有效标志信号也同步输出。

验证成功！