摘 要： 傳統(tǒng)數(shù)字芯片電路中，固定字長有符號數(shù)的加法或減法運算的溢出判斷需要等到加法/減法運算結(jié)束之后才能進行。以四位有符號數(shù)加法/減法運算溢出判斷邏輯為例提出一種改進的設(shè)計方式，能夠在加法/減法運算結(jié)束之前對操作數(shù)進行判斷，從而決定是否有溢出現(xiàn)象的發(fā)生。仿真發(fā)現(xiàn)，改進后的電路無論在規(guī)模上還是在運算速度上都有很大改善。
關(guān)鍵詞： 改進；溢出判斷；電路設(shè)計；仿真

溢出現(xiàn)象的判斷是固定字長有符號加法運算中必須要進行的操作，傳統(tǒng)溢出現(xiàn)象的判斷要等到加法運算結(jié)果產(chǎn)生以后才能進行，本文電路設(shè)計能夠在加法運算開始之前通過對操作數(shù)的判斷而進行溢出預(yù)判，從而減少了整個加法/減法運算的時間。
溢出現(xiàn)象有可能出現(xiàn)在有符號數(shù)的加法或減法運算中，在進行固定字長的有符號數(shù)加法或減法運算時，如果出現(xiàn)以下四種情況：正數(shù)與正數(shù)相加得到負(fù)數(shù)、正數(shù)減負(fù)數(shù)得到負(fù)數(shù)、負(fù)數(shù)減正數(shù)得到正數(shù)、負(fù)數(shù)加負(fù)數(shù)得到正數(shù)，則認(rèn)為有溢出現(xiàn)象產(chǎn)生。
1 傳統(tǒng)溢出判斷電路的設(shè)計[1]
傳統(tǒng)溢出判斷電路的設(shè)計是建立在加法或減法運算已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)果的基礎(chǔ)上，如果用Overflag表示當(dāng)前的運算方式，當(dāng)Overflag取值為“1”時表示的是進行有符號數(shù)的加法或減法運算，當(dāng)Overflag取值為“0”時表示的是進行無符號數(shù)的加法或減法運算。用Adder表示當(dāng)前的運算方式是加法或者減法運算。當(dāng)Adder取值為“1”時表示進行加法運算，當(dāng)Adder取值為“0”時表示進行減法運算。用A[3]、B[3]和R[3]分別表示兩個操作數(shù)和加減法運算結(jié)果的最高位即符號位。用Overflow表示溢出結(jié)果，如果Overflow取值為“1”則表示產(chǎn)生了溢出；如果Overflow取值為“0”則表示沒有產(chǎn)生溢出。如果利用Carry-Lookahead Adder[2]算法來產(chǎn)生R[3]，則結(jié)合對溢出產(chǎn)生條件的分析，可以得到溢出判斷電路圖如圖1所示。

2 具有預(yù)判功能的改進溢出判斷電路的設(shè)計
具有預(yù)判功能的溢出判斷電路設(shè)計的原理是將Carry-Lookahead Adder[2]的算法與傳統(tǒng)溢出邏輯判斷邏輯算法相結(jié)合。如果將可能產(chǎn)生溢出的四種運算都轉(zhuǎn)換為加法運算，則在有可能產(chǎn)生溢出的四種運算情況下只要數(shù)值位向符號位產(chǎn)生進位或者符號位本身相加產(chǎn)生進位就可以判斷有溢出產(chǎn)生。因此在電路實現(xiàn)上需要有兩部分功能塊，一部分是判斷當(dāng)前的運算是否為可能產(chǎn)生溢出的四種運算，將這部分功能塊稱為初步判斷功能塊；另一部分是判斷數(shù)值位的最高位有無向符號位產(chǎn)生進位或符號位本身相加有無進位產(chǎn)生，將這部分功能塊稱為進位判斷功能塊。最后需要將兩部分功能塊結(jié)合在一起成為完整的溢出預(yù)判電路。

2.2 進位判斷功能塊[2]
在對溢出現(xiàn)象進行分析的過程中發(fā)現(xiàn)，可能產(chǎn)生溢出的四種情況的運算最后都可以轉(zhuǎn)換為加法運算，具體分析如下：
正數(shù)與正數(shù)相加，原本就是加法運算，所以毋須進行轉(zhuǎn)換。
正數(shù)減負(fù)數(shù)相當(dāng)于正數(shù)與同負(fù)數(shù)有相同絕對取值的正數(shù)進行相加。即只要將被減數(shù)轉(zhuǎn)換成與其本身有相同絕對取值的正數(shù)即可。
負(fù)數(shù)減正數(shù)相當(dāng)于負(fù)數(shù)與同正數(shù)有相同絕對取值的負(fù)數(shù)進行相加。即只要將被減數(shù)轉(zhuǎn)換成與其本身有相同絕對取值的負(fù)數(shù)即可。
負(fù)數(shù)加負(fù)數(shù)本身就是加法運算，毋須進行轉(zhuǎn)換。
假設(shè)A為加法或減法運算中的第一個操作數(shù)（被加數(shù)或被減數(shù)），B為第二個操作數(shù)（加數(shù)或減數(shù)），由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，A不需要做任何變換，而B要根據(jù)需要進行變換，變換后的數(shù)字用D進行表示。對B進行變換的算法為：首先判斷條件“A[3]=0且B[3]=1且Adder=0”或“A[3]=1且B[3]=0且Adder=0”是否成立，如果條件成立，則D的值等于對B做減1運算后再取反的數(shù)值，否則D=B。
操作數(shù)B做了變換后，A與B的運算就轉(zhuǎn)換成A與D的加法運算，運算結(jié)果用R表示。通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)在可能產(chǎn)生溢出的四種運算情況下（即：正數(shù)與正數(shù)相加、負(fù)數(shù)與負(fù)數(shù)相加、正數(shù)與負(fù)數(shù)相減、負(fù)數(shù)與正數(shù)相減），只要A與D的加法運算的結(jié)果中符號位的符號與操作數(shù)符號相反就標(biāo)志著產(chǎn)生了溢出。用Ci+1表示第i位向第i+1位產(chǎn)生的進位，則C3=1或C4=1且C3 和C4不能同時為1時標(biāo)志著溢出的產(chǎn)生。
通過對Carry-Lookahead Adder[2-3]的分析可以發(fā)現(xiàn)進位的產(chǎn)生不必等到加法運算結(jié)束，即：

完整的電路圖如圖3所示。

通過比較圖3與圖1的電路結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，改進的溢出判斷邏輯電路圖在結(jié)構(gòu)上要精簡許多。
2.4 邏輯驗證
電路的功能驗證利用TSPICE實現(xiàn)，仿真得到的波形如圖4所示。在仿真波形圖中，從上至下信號名依次為Overflag，Adder，A[3]，A[2]，A[1]，A[0]，B[3]，B[2]，B[1]，B[0]和Overflow。通過分析仿真波形圖中輸入的A、B、Adder、Overflag共17組驗證數(shù)據(jù)與輸出信號Overflow的關(guān)系可以證明該電路能夠正確判斷溢出的產(chǎn)生情況。