Ejemplo: sumador por acarreo serie de 4 bits

Sumar dos números binarios es el "hola mundo" de la aritmética digital. Este ejemplo construye un sumador de 4 bits con acarreo de entrada y acarreo de salida — justo la celda que se teselaría dentro de una ALU más grande o dentro del incremento de direcciones de un CPU.

Interfaz

port (
  a    : in  std_logic_vector(3 downto 0);
  b    : in  std_logic_vector(3 downto 0);
  cin  : in  std_logic;
  sum  : out std_logic_vector(3 downto 0);
  cout : out std_logic
);

El cuerpo

signal t : unsigned(4 downto 0);
...
t    <= resize(unsigned(a), 5) + resize(unsigned(b), 5) + ("0000" & cin);
sum  <= std_logic_vector(t(3 downto 0));
cout <= t(4);

Qué está pasando:

• unsigned(a) y unsigned(b) convierten los vectores a tipos numéricos para usar +.
• resize(…, 5) expande a 5 bits para que la suma pueda desbordarse al bit superior.
• ("0000" & cin) construye una máscara de 5 bits con cin en el LSB.
• Tras sumar, t(3 downto 0) es la suma y t(4) es el acarreo de salida.

¿Por qué 5 bits?

Sumar dos números de 4 bits más un acarreo de entrada puede producir un resultado tan grande como 1111 + 1111 + 1 = 11111 — cinco bits. Si haces la cuenta en 4 bits pierdes el bit superior silenciosamente. resize es el idiom seguro.

Qué hace el ejemplo

La configuración de simulación mueve a y b por cuatro patrones (3+5=8, luego 10+6=16 que genera acarreo, luego 10+15=25…). La forma de onda muestra sum y cout cambiando combinacionalmente — no hace falta reloj, este diseño no tiene registros.

Tu turno

• Hazlo paramétrico. Agrega generic (N : integer := 4) a la entidad y usa N donde aparezca el 4. Ya tienes un adder_N para instanciar a cualquier ancho.
• Constrúyelo como restador. Invierte b y suma +1 más — eso es resta en complemento a dos. Ni un gate extra aparte de un NOT por bit.
• Conéctalos. Pon uno para el nibble bajo y otro para el alto, y tienes un sumador de 8 bits con acarreo serie.