veriloghdl简单计算器设计

目 录第一章 设计目的及任务要求 .11.1 设计目的 .11.2 设计任务 .11.3 课设要求 .1第二章 设计思路 .22.1 设计总体框图 .22.2 设计原理 .22.2.1 计算其原理 22.2.2 数码显示原理 22.2.3 八位数码管扫描的原理 3第三章 设计源程序及分析 .43.1 计算器模块 .43.1.1 计算器源程序 43.1.2 计算器程序分析 43.2 数码管显示部分 .53.2.1 数码管显示源程序 53.2.2 数码管显示程序分析 53.3 循环扫描模块 .63.3.1 循环扫描程序 63.3.2 循环程序分析 63.4 总程序及其分析 .7第四章 时序仿真和结果验证 104.1 计算器时序仿真及其分析 104.2 数码管时序仿真及分析 104.3 总体时序仿真图 104.4 结果验证 11第五章 心得体会 121第一章 设计目的及任务要求1.1 设计目的（1）进一步加强熟练 EDA 基础知识。（2）熟练掌握 Quartus 6.0 软件的使用以及用该软件编程和仿真的全过程。（3）培养独立思考问题，解决问题的能力以及查阅相关资料和资料的正确使用能力，为明年的毕业设计打下良好的设计基础。1.2 设计任务设计一个简单计算器，输入为 8 位二进制数，分别用两位数码管显示，输出的计算结果为 16 位二进制数，并用四位数码管显示，能够实现+、-、 *、/ 四种运算，其中除法的结果显示分为商和余数两部分，分别用两位数码管显示。1.3 课设要求（1） 说明题目的设计原理和思路、采用方法及设计流程。（2） 系统框图、Verilog 语言设计程序或原理图。（3） 对各子模块的功能以及各子模块之间的关系做较详细的描述。（4） 详细说明调试方法和调试过程。（5） 说明测试结果：仿真时序图和结果显示图，并对其进行说明和分析。2第二章 设计思路2.1 设计总体框图有分析可知，本次课程设计可以分成五个木块来实现相应的功能，分别是输入模块，计算模块，扫描模块，输出模块以及显示模块。图一 设计总体框图2.2 设计原理2.2.1 计算其原理Verilog 语言中可直接用运算符+、-、*、/、%来实现四则运算，系统会根据程序自动综合出相应的计算器。分别是加法器模块，减法器模块，乘法器模块和除法器模块，当程序变得正确的话则各个程序会按照一定的步骤一步步的往下执行的。2.2.2 数码显示原理7 段数码是纯组合电路，通常的小规模专用 IC，如 74 或 4000 系列的器件只能作十进制 BCD 码译码，然而数字系统中的数据处理和运算都是 2 进制的，所以输出表达都是 16 进制的，为了满足 16 进制数的译码显示，最方便的方法就是利用译码程序在 FPGA/CPLD 中来实现。设计 7 段译码器，输出信号 LED7S的 7 位分别接如图一数码管的 7 个段，高位在左，低位在右。例如当 LED7S 输出为“1101101”时，数码管的 7 个段：g、f、e、d、c、b、a 分别接 1、1、0、1、1、0、1；接有高电平的段发亮，于是数码管显示“5” 。注意，这里没有考虑表示小数点的发光管，如果要考虑，需要增加段 h。共阴极七段数码管的原理图如下图二所示。3图二 共阴极七段数码管2.2.3 八位数码管扫描的原理图三所示的是 8 位数码扫描显示电路，其中每个数码管的 7 个段： g、f、e、d、c、b、a 都分别连在一起，8 个数码管分别由 8 个选通信号 k1、k2、k8 来选择。被选通的数码管显示数据，其余关闭。如在某一时刻，k3 为高电平，其余选通信号为低电平，这时仅 k3 对应的数码管显示来自段信号端的数据，而其它 7 个数码管呈现关闭状态。根据这种电路状况，如果希望在 8 个数码管显示希望的数据，就必须使得 8 个选通信号 k1、k2、k8 分别被单独选通，并在此同时，在段信号输入口加上希望在该对应数码管上显示的数据，于是随着选通信号的扫变，就能实现扫描显示的目的。图三 8 位数码管显示驱动电路扫描电路通过可调时钟输出片选地址 SEL20。由 SEL20 通过 3-8 译码器决定了 8 位中的哪一位显示，SEL20变化的快慢决定了扫描频率 f 扫描 的快慢。扫描频率大于人眼的分辨率时，呈现出八个数码管同时点亮。4第三章 设计源程序及分析3.1 计算器模块3.1.1 计算器源程序mdule jsq(a,b,c,out);input7:0a,b;input1:0c;otput15:0out;reg 15:0outreg7:0out1,out2;always(a,b,c,out)case(c)2b00:out=a+b;2b01:out=a-b;2b10:out=a*b;2b11:beginout1=a/b;out2=a%b;out=out1,out2;enddefault:;endcaseendmodule3.1.2 计算器程序分析该模块是本次设计的核心部分，用于实现四则运算，两位八位二进制数 a、b 作为待计算的输入，并输入两位二进制数 c 作为计算功能选择，00 代表加法运算、01 代表减法运算、10 代表乘法运算、11 代表除法运算。输出 16 位二进制数 out 位运算结果。并在总体设计中把输入、输出端接到数码管上。53.2 数码管显示部分3.2.1 数码管显示源程序module DECL7S (A, LED7S);input 3:0 A;output 6:0 LED7S;reg 6:0 LED7S;always (A)begin case(A)4b0000 : LED7S=7b0111111;4b0001: LED7S = 7b0000110 ; 4b0010: LED7S = 7b1011011; 4b0011: LED7S = 7b1001111; 4b0100: LED7S = 7b1100110 ; 4b0101: LED7S = 7b1101101; 4b0110: LED7S = 7b1111101 ;4b0111: LED7S = 7b0000111 ;4b1000: LED7S = 7b1111111 ; 4b1001: LED7S = 7b1101111 ; 4b1010: LED7S = 7b1110111 ; 4b1011: LED7S = 7b1111100 ;4b1100: LED7S = 7b0111001 ;4b1101: LED7S = 7b1011110 ; 4b1110: LED7S = 7b1111001 ;4b1111: LED7S = 7b1110001 ;endcase endendmodule3.2.2 数码管显示程序分析该模块是整个设计中的显示部分，是一个编码器组合逻辑设计，每个数码管可显示十六进制 0 至 F，对应 4 位二进制数，因此输入端 a、b 分别用两个数码管显示，输出 out 用四个数码管显示，该设计中需要八个同样的数码管显示器，即。此模块将在总程序中被调用八次。63.3 循环扫描模块3.3.1 循环扫描程序modulexhsm(clk,rst,count,Dout);inputclk,rst;output6:0Dout;output2:0count;reg6:0Dout;reg2:0count;always(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)count=3b000;else if(count=3b111)count=3b000;elsecount=count+3b001;endalways(posedge clk)begincase(count)3b000: Dout=LED7S1;3b001:Dout=LED7S2;3b010:Dout=LED7S3;3b011:Dout=LED7S4;3b100: Dout=LED7S5;3b101:Dout=LED7S6;3b110:Dout=LED7S7;3b111:Dout=LED7S8;endcaseendendmodule3.3.2 循环程序分析该模块是一个循环计数器，在时钟和复位信号的控制下，从 000111 循环计数分别控制八个数码管循环点亮，由于时钟的频率比较快，大于人眼的分辨率，所以显示出八个数码管同时点亮，即同时显示计算器的输入、输出。73.4 总程序及其分析module jsq9(a,b,c,Dout,count,clk, rst);input7:0a,b;input clk,rst;input1:0c;output6:0Dout;output 2:0count;reg6:0Dout;reg2:0count;reg15:0out;reg6:0 LED7S1,LED7S2,LED7S3,LED7S4, LED7S5,LED7S6,LED7S7,LED7S8;DECL7S u1(.A(a7:4) , .LED7S(LED7S1);DECL7S u2(.A(a3:0) , .LED7S(LED7S2);DECL7S u3(.A(b7:4) , .LED7S(LED7S3);DECL7S u4(.A(b3:0) , .LED7S(LED7S4);DECL7S u5(.A(out15:12) , .LED7S(LED7S5);DECL7S u6(.A(out11:8) , .LED7S(LED7S6);DECL7S u7(.A(out7:4) , .LED7S(LED7S7);DECL7S u8(.A(out3:0) , .LED7S(LED7S8);reg7:0out1,out2;always(a,b,c,Dout,count,clk,rst)case(c)2b00:out=a+b;2b01:out=a-b;2b10:out=a*b;2b11:beginout1=a/b;out2=a%b;out=out1,out2;enddefault:;endcasealways(posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)count=3b000;8else if(count=3b111)count=3b000;elsecount=count+3b001;endalways(posedge clk)begincase(count)3b000: Dout=LED7S1;3b001:Dout=LED7S2;3b010:Dout=LED7S3;3b011:Dout=LED7S4;3b100: Dout=LED7S5;3b101:Dout=LED7S6;3b110:Dout=LED7S7;3b111:Dout=LED7S8;endcaseendendmodulemodule DECL7S (A, LED7S);input 3:0 A;output 6:0 LED7S;reg 6:0 LED7S;always (A)begin case(A)4b0000 : LED7S=7b0111111;4b0001: LED7S = 7b0000110 ; 4b0010: LED7S = 7b1011011; 4b0011: LED7S = 7b1001111; 4b0100: LED7S = 7b1100110 ; 4b0101: LED7S = 7b1101101; 4b0110: LED7S = 7b1111101 ;4b0111: LED7S = 7b0000111 ;4b1000: LED7S = 7b1111111 ; 4b1001: LED7S = 7b1101111 ; 4b1010: LED7S = 7b1110111 ; 4b1011: LED7S = 7b1111100 ;4b1100: LED7S = 7b0111001 ;4b1101: LED7S = 7b1011110 ; 94b1110: LED7S = 7b1111001 ;4b1111: LED7S = 7b1110001 ;endcase endendmodule该程序是本次设计的最终程序，主要是将以上三个模块联系起来。其中反复调用数码管显示模块，将其与计算器模块相连。其输入 A 在 u1 中与计算器输入 a 的高四位相连，输出 LED7S 与 LED7S1 相连，在硬件上实现用一个数码管显示输入 a 的高四位，以此类推 u2 模块实现用数码管显示 a 的低四位，u3 对应 b 的高四位，u4 对应 b 的第四位，u5 对应 out 的高四位，u6 对应 out 次高四位，u7 对应 out 的次低四位，u8 对应 out 的低四位。循环计数器模块，与八个数码管显示模块相连，当输出 count 为某一确定时，将不同数码管的输出赋给程序的总输出 Dout 点亮相应的数码管，例如当 count=3b000 时，LED7S1 赋给 Dout，此时试验箱是对应输入 a 的高四位的数码管被点亮。通过以上连接该程序实现了输入为 8 位二进制数，分别用两位数码管显示，输出的计算结果为 16 位二进制数，并用四位数码管显示，能够实现+、-、 *、/ 四种运算，其中除法的结果显示分为商和余数两部分，分别用两位数码管显示的设计要求。10第四章 时序仿真和结果验证4.1 计算器时序仿真及其分析图四 计算器时序仿真图如图四所示为计算器的实序仿真图，当输入 a 为 00000001、b 为 00000001、c 为 01 时输出 out 为0000000000000000 即 1-1=0；当输入 a=00000010，b=00000010，c=10 时输出 out=0000000000000100.即2*2=4，当输入 a=00000011，b=00000011，c=11 时输出 out1=00000001，out2=00000000，即 3/3=1 余数为 0 当输入 a=00000100，b=00000100，c=00 时输出 out=00001000 即 4+4=8.经此验证分析证明此计算器计算准确无误。模块设计成功。4.2 数码管时序仿真及分析图五 数码管时序仿真图如图五所示为数码管显示器的时序仿真波形，当输入为 0011 时七段数码管中 abcdefg 的高低电平分别为 1111001 即 abcdg 点亮显示数字 3，当输入为 0000 时七段数码管对应显示 1111110 即 abcdef 被点亮显示数字 0.经验证其他数字显示均正确，七段数码管显示器模块设计仿真成功。4.3 总体时序仿真图图六所示为整个设计的仿真波形图，对其分析如下，首先分析最下边三行的循环计数器部分，当复11位信号为 0 时 count 计为 000 当复位为 1 每当时钟上升沿来临时 count 加 1，计满后恢复 000 继续循环，此部分验证成功。接下来看控制显示部分，输入 a=00000000，b=00000000，c=00，当 count=000 时显示 a 的高四位0000，Dout=01111111，显示数字 0；正确。当 count=001 时显示 a 的低四位 0000，Dout=01111111，显示数字 0，正确。经验证，其他数码管显示与相应的输入也是一一对应，因此时序仿真成功。图六 总体时序仿真图4.4 结果验证如下图所示在试验箱中输入 a=00000010，b=00001100，c=00 即显示如下结果：02+0C=000E,即2+12=14，验证结果正确图七 结果验证图12第五章 心得体会为期五天的 EDA 课程设计很快就结束了，原则上是必须独