32位乘法器 5个时钟周期 verilog

以下是一个基于 Booth 算法实现的 32 位乘法器，使用 5 个时钟周期完成运算。

module multiplier_32bit(input signed [31:0] a, b,
                        output reg signed [63:0] result,
                        input clk, rst);

   parameter WIDTH = 32;

   reg signed [63:0] p;   // 存储中间计算结果
   reg [5:0] counter;     // 计数器
   reg [1:0] state;       // 状态机状态

   always @(posedge clk) begin
      if (rst) begin
         p <= 0;
         counter <= 0;
         state <= 2'b00;
         result <= 0;
      end
      else begin
         case (state)
            2'b00: begin  // 状态 0，准备操作
               p <= {a, WIDTH'd0};
               counter <= WIDTH;
               state <= 2'b01;
            end
            2'b01: begin  // 状态 1，Booth 算法处理
               if (p[0] == 1 && p[1] == 0) begin
                  p <= p + {b, WIDTH'd0};
               end
               else if (p[0] == 0 && p[1] == 1) begin
                  p <= p - {b, WIDTH'd0};
               end
               p <= {p[62:0], p[63]};
               counter <= counter - 1;
               if (counter == 0) begin
                  state <= 2'b10;
               end
            end
            2'b10: begin  // 状态 2，输出结果
               result <= p[63:32];
               state <= 2'b11;
            end
            2'b11: begin  // 状态 3，完成操作
               state <= 2'b00;
            end
            default: begin
               state <= 2'b00;
            end
         endcase
      end
   end
endmodule

该乘法器采用 Booth 算法，将乘数 b 转化为 2 的补码形式，并在每个时钟周期中进行一次部分积的计算。在状态 0 中，将被乘数 a 和 0 拼接形成一个 64 位的中间计算结果 p，计数器 counter 初始化为 WIDTH（即 32），状态机状态 state 初始化为 2'b00。

在状态 1 中，根据 Booth 算法将部分积 p 进行处理。如果 p 的最后一位为 1 且倒数第二位为 0，则将 p 加上 b；如果 p 的最后一位为 0 且倒数第二位为 1，则将 p 减去 b。然后将 p 向右移动一位，将计数器 counter 减 1。如果计数器 counter 次数减为 0，则转移到状态 2，输出结果。

在状态 2 中，将 64 位中间计算结果 p 的高 32 位作为最终结果输出，并转移到状态 3，完成操作。

在状态 3 中，将状态机状态 state 重置为 2'b00，准备下一次操作。

因此，该乘法器需要 5 个时钟周期才能完成一次 32 位乘法运算。