FPGA中无符号数和有符号数区别

在FPGA中，无符号数和有符号数的区别在于它们的表示形式和运算规则。无符号数是一种非负整数表示方法，它只能表示正数或零。而有符号数包括正数、负数和零。在设计中，所有的算数运算符都是按照无符号数进行的。如果要完成有符号数计算，可以通过将有符号数转换为无符号数来处理。具体来说，对于加、减操作，可以通过补码处理，即用无符号加法完成。对于乘法操作，无符号数可以直接使用“*”运算符，而有符号数运算则需要定义输出为signed来处理。因此，无符号数和有符号数在FPGA中的表示和运算方式有一些差异。

相关问题

fpga 中无符号数做减法

在FPGA中，无符号数的减法可以通过将被减数和减数都转化为二进制数，并使用二进制补码相加器实现。具体步骤如下：

1. 将被减数和减数转化为二进制数，保证它们的位数相同。

2. 对减数取反（也就是对减数的每一位取反，包括符号位），然后加上被减数。

3. 如果相加的结果超出了原来的位数，则需要舍去最高位。

4. 得到的结果就是无符号数的减法结果。

需要注意的是，在FPGA中实现无符号数减法时，需要确保输入的数据是无符号数，否则可能会产生不正确的结果。

FPGA无符号数转有符号数

### FPGA 中实现无符号数到有符号数的转换

在FPGA设计中，将无符号数转换为有符号数是一个常见的需求。为了确保数据表示的一致性和准确性，在执行算术操作之前通常需要进行这种类型的转换。

对于简单的位扩展情况，如果已知输入宽度并希望保持数值不变，则可以采用零扩展或符号扩展的方法来完成这一过程：

- **零扩展**：适用于正数范围内的无符号数转有符号数。通过简单地向高位填充0来进行扩展。

- **符号扩展**：当最高有效位（MSB）代表符号时适用。此方法不仅保留原始值还复制最左边一位作为新加入的高阶位直到达到所需总长度。

具体来说，在Verilog HDL中的实现方式如下所示[^1]:

// 假设有一个8位无符号数 a
wire [7:0] unsigned_a;

// 将其转化为9位带符号数 b (假设a的最大可能值不超过8位所能表达的最大正值)
wire signed [8:0] signed_b;
assign signed_b = {1'b0, unsigned_a}; // 对于非负数使用零扩展即可满足条件

另一种更通用的做法是在任何情况下都应用符号扩展技术，即使对于那些理论上已经是正数的情况也不例外。这可以通过检测原变量是否带有符号属性以及它本身的值来进行判断，并据此决定采取何种形式的扩展策略:

module sign_extension (
    input wire [N-1:0] data_in,
    output reg [(M-1):0] data_out
);
integer i;
always @(*) begin
    if ($signed(data_in)) begin : SIGN_EXTEND_NEGATIVE
        for(i=0;i<M-N;i=i+1) 
            data_out[i+N:N] = ~data_in[N-1]; // 如果是负数则反相扩展
    end else begin : ZERO_PAD_POSITIVE_OR_UNSIGNED
        for(i=0;i<M-N;i=i+1) 
            data_out[i+N:N] = 1'b0;          // 否则用0填充
    end
    data_out[N-1:0] = data_in;
end
endmodule

上述模块接受任意宽度`N`的数据输入，并将其安全地扩展至更大的宽度`M`，同时考虑到源数据可能是有符号还是无符号的影响因素[^2]。