1、用verilog语言知识学习设计简单计算器第一章设计任务及要求1.1课程设计依据在掌握常用数字电路功能和原理的基础上，根据EDA技术课程所学知识，利用硬件描述语言Verilog HDL、EDA软件Quartus II和硬件平台Cyclone/Cyclone II FPGA进行电路系统的设计。1.2课程设计内容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课程设计要求1、 要求独立完成设计任务。2、 课程设计说明书封面格式要求见
2、天津城市建设学院课程设计教学规范附表1。3、 课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范。4、 测试要求：根据题目的特点，采用相应的时序仿真或者在实验系统上观察结果。5、 课程设计说明书要求：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。第二章 设计思路2.1设计原理2.1.1计算器原理 Verilog语言中可直接用运算符+、-、*、/、%来实现四则运
3、算，系统会根据程序自动综合出相应的计算器。2.1.2数码管显示原理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
4、的发光管，如果要考虑，需要增加段h。图一 共阴数码管及其电路2.1.3 8位扫描原理图二所示的是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
5、扫描显示的目的。图二 8位数码驱动显示电路扫描电路通过可调时钟输出片选地址SEL2.0。由SEL2.0 通过3-8译码器决定了8位中的哪一位显示，SEL2.0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。2.2设计总体框图输入模块计算模块输出模块扫描模块显示模块图三 设计总体框图第三章 设计源序及分析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)
6、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模块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。3.2数码管显示模块3.2.1数码管源程序module DECL7S (A, LED7S)
7、;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: LED7
8、S = 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模块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
9、、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。3.3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
10、(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模块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、
11、输出。3.4总程序3.4.1总体源程序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
12、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
13、;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;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;3
14、b100: 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:
15、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 ; 4
16、b1111: LED7S = 7b1110001 ; endcase endendmodule3.4.2程序分析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
17、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。第四章 序仿真结果及分析4.1计算器设计仿真及分析图四 计算器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
18、；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数码管仿真图及分析图五 数码管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，
19、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总体仿真图图六 总体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，D
20、out=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。第五章 结果验证5.1实验结果及分析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 设计结果第六章心得体会通过本次课程设计，我对EDA这门课程有了更深入的体会和了解，也加深了我在理论课堂和实验课程中所学知识的理解，从拿到题目开始，就首先分析，完成这样的设计需要用到哪些模块？这些模块基本上都是课上讲过的，关键是怎样把他们连接起来，构思好之后就要分模块写程序，在软件上编译、仿真，由于一开始对于自己写程序不是很熟练，也有点粗心马虎，所以第一个模块程序编译总是不成功，用了很长一段时间查错、改正，才把第一个模块完成，在下面的模块设计中就明显比前一个顺畅多了，通过这次课设我明白，对于工程类科目的学习只掌握课堂的理论知识是远远不够的，一定要在亲身实践中去发现问题，解决问题，提高自己的水平和能力。同时也感谢老师们的悉心指导，希望本次课设学到的知识在以后的学习工作中，能发挥更大的作用。第七章 参考文献1潘松，黄继业等EDA技术实用教程Verilog HDL（第四版）科学出版社，2010.1潘松，黄继业EDA技术实用教程（第三版）科学出版社，2006.
