1. 串行乘法器
两个N位二进制数x、y的乘积用简单的方法计算就是利用移位操作来实现。
module multi_CX(clk, x, y, result);
input clk;
input [7:0] x, y;
output [15:0] result;
reg [15:0] result;
parameter s0 = 0, s1 = 1, s2 = 2;
reg [2:0] count = 0;
reg [1:0] state = 0;
reg [15:0] P, T;
reg [7:0] y_reg;
always @(posedge clk) begin
case (state)
s0: begin
count <= 0;
P <= 0;
y_reg <= y;
T <= {{8{1'b0}}, x};
state <= s1;
end
s1: begin
if(count == 3'b111)
state <= s2;
else begin
if(y_reg[0] == 1'b1)
P <= P + T;
else
P <= P;
y_reg <= y_reg >> 1;
T <= T << 1;
count <= count + 1;
state <= s1;
end
end
s2: begin
result <= P;
state <= s0;
end
default: ;
endcase
end
endmodule
乘法功能是正确的，但计算一次乘法需要8个周期。因此可以看出串行乘法器速度比较慢、时延大，但这种乘法器的优点是所占用的资源是所有类型乘法器中最少的，在低速的信号处理中有着广泛的应用。
2.流水线乘法器
一般的快速乘法器通常采用逐位并行的迭代阵列结构，将每个操作数的N位都并行地提交给乘法器。但是一般对于FPGA来讲，进位的速度快于加法的速度，这种阵列结构并不是最优的。所以可以采用多级流水线的形式，将相邻的两个部分乘积结果再加到最终的输出乘积上，即排成一个二叉树形式的结构，这样对于N位乘法器需要lb（N）级来实现。
module multi_4bits_pipelining(mul_a, mul_b, clk, rst_n, mul_out);
input [3:0] mul_a, mul_b;
input clk;
input rst_n;
output [7:0] mul_out;
reg [7:0] mul_out;
reg [7:0] stored0;
reg [7:0] stored1;
reg [7:0] stored2;
reg [7:0] stored3;
reg [7:0] add01;
reg [7:0] add23;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
mul_out <= 0;
stored0 <= 0;
stored1 <= 0;
stored2 <= 0;
stored3 <= 0;
add01 <= 0;
add23 <= 0;
end
else begin
stored0 <= mul_b[0]? {4'b0, mul_a} : 8'b0;
stored1 <= mul_b[1]? {3'b0, mul_a, 1'b0} : 8'b0;
stored2 <= mul_b[2]? {2'b0, mul_a, 2'b0} : 8'b0;
stored3 <= mul_b[3]? {1'b0, mul_a, 3'b0} : 8'b0;
add01 <= stored1 + stored0;
add23 <= stored3 + stored2;
mul_out <= add01 + add23;
end
end
endmodule
从图中可以看出，流水线乘法器比串行乘法器的速度快很多很多，在非高速的信号处理中有广泛的应用。至于高速信号的乘法一般需要利用FPGA芯片中内嵌的硬核DSP单元来实现。