原创 模块化设计之基于FPGA的简易计算器设计

最近在北京至芯科技参加20140712届的FPGA培训，其中夏老师课程的第一个项目就是设计一个基于FPGA的简易计算器，要求能够实现0—999999以内的整数+、-、*、/运算，并支持连续运算（连加、连减、连乘、连除）。接到题目后，我首先对设计需要的硬件进行了初步划分，初步确定了如图（1）所示的板级硬件结构。

图（1）板级硬件结构

当板级硬件结构确定之后，就该设计具体的计算器架构了。这里有两种观点，观点一是由顶自下的设计方式，即先设计顶层模块，然后再一级一级的往下设计。这种设计观念是有着多年丰富工程实践经验的李凡老师所推荐的，另一种观点是我自己的观点，也是结合本设计题目的实际情况，因为系统中涉及到了5个外设硬件模块的驱动，虽然此前还在大学里时已经都做过这些模块的驱动设计，但此次来到至芯科技，我决定还是依照夏老师讲的规范科学的设计方法，重新来设计所有的模块驱动。因为以前自己做的时候，模块设计意识不是很强，设计出来的模块不便于移植，因此，此番重做也是理所应当，既然要设计，就要设计一系列通用性强，便于移植的模块，方便以后使用。于是，接下来的任务，首先就是设计5个硬件模块的驱动。

关于驱动设计的先后顺序，是一个值得思考的地方。数码管设计可以采用仿真加板级验证的方式来设计，数码管模块的仿真比较容易做，也容易验证，led、蜂鸣器的验证就更简单，难点在于按键驱动的验证。因为按键在按下的过程中必然存在抖动，要想能够确保设计的正确性，除了仿真外，实际观察按键效果会是一个更加有效的验证方式。而观察按键效果，可以采用将按键检测模块检测到的按键信息显示在数码管或led上来实现。因此，我在设计的时候，首先设计的是数码管模块。（led模块由于过于简单，实在没必要单独为其建一个模型）

数码管的硬件电路目前在实验室的机器上，暂时没工夫再去绘制一份，所以今天先把代码贴上来，等明天把图弄来了再补上。

以下是代码片段：

//数码管扫描模块

module shumaguan(data,i_clk,rst_n,o_seg,o_sel);

input [23:0]data;

input i_clk;

input rst_n;

output [7:0]o_seg;

output [2:0]o_sel;

parameter cnt1_WIDTH = 15;

parameter cnt1_MAX = 24999;

reg [cnt1_WIDTH-1 :0] cnt1;

reg clk_1K;//扫描时钟，1KHz

reg [2:0]sel_r;//数码管位选

reg [7:0]seg_r;//数码管段选

reg [3:0]disp_data;//单位显示数据缓存

//1KHz时钟分频计数器

always@(posedge i_clk)

begin

if(!rst_n)cnt1<=0;

else if(cnt1==cnt1_MAX)cnt1<=0;

else cnt1<=cnt1+1'b1;

end

//得到1KHz时钟

always@(posedge i_clk)

begin

if(!rst_n)clk_1K<=0;

else if(cnt1==cnt1_MAX)

clk_1K<=~clk_1K;

else ;

end

//位选信号控制

always@(posedge clk_1K)

begin

if(!rst_n)sel_r<=3'd0;

else

if(sel_r == 3'd6)

sel_r<=3'd0;

else

sel_r<=sel_r+1'b1;

end

//根据不同的数码管位选择不同的待显示数据

always@(*)

begin

case(sel_r)

0:disp_data<=data[23:20];

1:disp_data<=data[19:16];

2:disp_data<=data[15:12];

3:disp_data<=data[11:8];

4:disp_data<=data[7:4];

5:disp_data<=data[3:0];

default :disp_data<=4'd0;

endcase

end

//数据译码，将待显示数据翻译为符合数码管显示的编码

always@(disp_data)

begin

case(disp_data)

4'd0:??seg_r<=8'hc0;

4'd1:??seg_r<=8'hf9;

4'd2:??seg_r<=8'ha4;

4'd3:??seg_r<=8'hb0;

4'd4:??seg_r<=8'h99;

4'd5:??seg_r<=8'h92;

4'd6:??seg_r<=8'h82;

4'd7:??seg_r<=8'hf8;

4'd8:??seg_r<=8'h80;

4'd9:??seg_r<=8'h90;

4'd10:?seg_r<=8'h88;

4'd11:?seg_r<=8'h83;

4'd12:?seg_r<=8'hc6;

4'd13:?seg_r<=8'ha1;

4'd14:?seg_r<=8'h86;

4'd15:?seg_r<=8'h8e;

default : seg_r<=8'hff;

endcase

end

assign o_seg = seg_r;

assign o_sel = sel_r;

endmodule

因为今天准备比较仓促，到时很多仿真文件都不在手头，等明天去教室把需要的资料弄好之后再来系统的写。

初次写博客，确实感觉准备不足，不过初稿写了，总会有这样那样的不足，于是就非得去丰富去改正所以，这样下去，我相信，我会很快习惯并爱上写博客的。