EDA大作业 简易计算器

EDA大作业简易计算器目录EDA大作业简易计算器 (1)目的 (2)任务 (2)内容及步骤 (3)实验设计及实现过程 (3)设计一个1位全加器 (3)设计四位全加器 (4)（1）设计四位加法器 (5)（2）设计可进行加减运算的四位全加器 (6)（3）实现四位全加器的原码输出 (7)设计四位乘法器 (10)（1）设计八位加法器 (10)（2）设计四位乘法器 (11)（3）将乘积结果转化为十进制数 (13)构成简易计算器 (15)下载到实验箱上验证功能 (17)小结与收获 (18)目的1、学习面向可编程器件的FPGA的简单数字系统的设计流程；2、掌握EDA软件Quartus II的原理图输入方式，以及硬件描述语言描述方式；3、熟悉实验装置——实验箱。

任务在可编程逻辑器件上实现一个简易计算器，可以进行4位二进制数的加法和乘法运算，其中被加（乘）数取值范围0～15，加（乘）数取值范围-15～15。

要求用原理图的输入方式及硬件描述语言的结构描述方式完成。

用实验箱上的按键开关模拟输入，用数码管显示十进制计算结果。

内容及步骤1、设计一个1位全加器。

运用波形仿真检查功能正确后，将其封装成1位全加器模块。

2、以1中已封装的1位全加器模块为基础设计一个4位全加器并将其封装成模块，要求：(1) 加数为正时，实现两个4位二进制数与来自低位进位的加法运算，输出显示和及高位进位。

(2) 加数为负时，实现两个4位二进制数的减法运算，输出显示差的原码和正负数标志。

3、以全加器为基础设计一个4位乘法器并封装成乘法器模块，输出显示乘积和正负数标志。

4、以2、3中生成的器件模块为基础构成一个简易计算器，实现如下图功能。

根据S的输入，分别完成Y＝A+B或Y＝A×B。

5、下载到实验箱上验证功能。

实验设计及实现过程设计一个1位全加器电路图如下：其中A1、B1分别为两个加数，C1为来自低位的进位，S为输出的全加和，C01为向高位的进位。

在Quartus II中构建原理图如下：进行编译后，建立波形文件，功能仿真如下图检查正确无误后，进行全编译，然后将其封装成一位全加器模块，如下图：封装后的一位全加器模块A1、B1分别为两个加数，C1为来自低位的进位，S 为输出的全加和，C01为向高位的进位。

设计四位全加器要实现一个四位全加器，能进行加减法且以原码方式输出结果，分三步进行，流程如下。

具体实现过程如下。

译码（1）设计四位加法器用四个一位全加器的串行接法，即可得到四位串行加法器，实现四位二进制数的加法，用原理图的方式在Quartus II中构建原理图如下：图中A3A2A1A0、B3B2B1B0为两个加数，CO1为来自低位的进位，S3S2S1S0为全加和，CO2为向高位的进位。

先进行半编译，然后建立波形文件，进行功能仿真，结果如下检查正确无误后，进行全编译，然后将其封装成四位加法器模块，如下图：图中A3A2A1A0、B3B2B1B0为两个加数，CO1为来自低位的进位，S3S2S1S0为全加和，CO2为向高位的进位。

（2）设计可进行加减运算的四位全加器在四位全加器电路中增设控制端k，当k=0时，对输入的两数进行加法运算，当k=1时，对输入的两数进行减法运算，并以原码形式输出差值。

思路：将控制端k与加数和低位进位进行异或运算，这样k=1时，异或后得到原加数的反码，低位进位为1，此时被加数和加数的补码相加，得到差的补码，再将补码取反加1后得到差的原码；k=0时，异或后原加数不变，此时被加数和加数相加，进行的是加法运算。

主要通过控制端k的各种异或运算实现，具体电路图如下：其中A3A2A1A0为被加数，B3B2B1B0为加数，k为控制端，当k=0时，进行加法运算，CO1为来自低位的进位，和为Y3Y2Y1Y0，CO为和向高位的进位；当k=1时，进行减法运算，即A3A2A1A0−B3B2B1B0，CO为差的符号，CO=0表示差为正数，差值为Y3Y2Y1Y0，CO=1表示差为负数，差的原码为Y3Y2Y1Y0。

通过半编译后，建立波形文件，进行功能仿真如下图：检查正确无误后，进行全编译，然后将其封装成四位全加器模块，如下图封装后的四位全加器模块其中A3A2A1A0为被加数，B3B2B1B0为加数，k 为控制端，其功能如下：当k=0时，进行加法运算，CO1为来自低位的进位，和为Y3Y2Y1Y0，CO 为和向高位的进位；当k=1时，进行减法运算，即A3A2A1A0− B3B2B1B0， CO 为差的符号，CO=0表示差为正数，差值为Y3Y2Y1Y0，CO=1表示差为负数，差的原码为Y3Y2Y1Y0。

（3）实现四位全加器的原码输出（2）中得到的四位全加器模块，其输出和是二进制原码，要想用数码管显示，需要将其转换成对应的十进制数。

该全加器模块的最大和为30，需用两个数码管显示结果，因此需要将（2）中结果Y3Y2Y1Y0表示成两个十进制的数，符号位CO 接到发光二极管上，用于指示和的正负。

具体思路及实现过程如下。

用Q3Q2Q1Q0、P3P2P1P0分别表示个位和十位的数码管的输入端，SF 为符号位，现在需要找出Q3Q2Q1Q0、P3P2P1P0与Y3Y2Y1Y0及CO 的关系。

首先只考虑将二进制数转化成十进制数，即先不考虑正负数，通过列真值表发现，当CO1Y3Y2Y1Y0表示的十进制数为0~9时，P3P2P1P0=0000，Q3Q2Q1Q0= Y3Y2Y1Y0；当CO1Y3Y2Y1Y0表示的十进制数为10~19时，P3P2P1P0=0001，Q3Q2Q1Q0=Y3Y2Y1Y0+0110；当CO1Y3Y2Y1Y0表示的十进制数为20~29时，P3P2P1P0=0010，Q3Q2Q1Q0=Y3Y2Y1Y0+1100；当CO1Y3Y2Y1Y0表示的十进制数为30~39时，P3P2P1P0=0011，Q3Q2Q1Q0=Y3Y2Y1Y0+0010。

其中CO1、SF与k及CO的关系如下表：因此，CO1= K’ CO，SF= KCO。

由上述知，可以通过一个四位加法器来实现CO1Y3Y2Y1Y0到Q3Q2Q1Q0的变换。

四位全加器的输入端为A3A2A1A0和B3B2B1B0。

将Y3Y2Y1Y0接到B3B2B1B0端，现在求A3A2A1A0与CO1Y3Y2Y1Y0的关系。

通过真值表、卡诺图化简得到：A3= (Y3⨁Y2+ Y3Y1’) CO1A2= CO1(Y3Y2Y1)’+ CO1’ Y3 (Y2+Y1)A1= CO1’ Y3 (Y2+Y1)+ CO1(Y3’Y2’+ Y3Y2 Y1Y0’)A0=0按照此关系连接好电路后，四位加法器的输出端S3S2S1S0即是Q3Q2Q1Q0。

P3P2P1P0与CO1Y3Y2Y1Y0的关系也可类似得到：P3=P2=0P1= CO1(Y3⨁Y2+ Y3(Y1’+Y0’))P0= A1.这样就得到了Q3Q2Q1Q0、P3P2P1P0、SF与Y3Y2Y1Y0及CO的关系。

连接电路图如下：半编译后，建立波形文件，进行功能仿真，波形如下检查正确无误后，进行全编译，然后将其封装成四位译码全加器模块，如下图封装后的四位译码全加器模块其中A3A2A1A0为被加数，B3B2B1B0为加数，k为控制端，CO1为来自低位的进位，k=0时，进行加法运算，k=1时，进行减法运算。

SF为符号位，SF=0表示结果为正数，SF=1表示结果为负数，将Q3Q2Q1Q0、P3P2P1P0分别连到表示个位和十位的数码管上，则数码管既可以显示结果。

如，结果为-13时，SF=1，Q3Q2Q1Q0=0011，P3P2P1P0=0001设计四位乘法器要实现两个四位二进制数的乘法运算，即是实现相乘、移位、相加的功能，为此分三步进行，过程如下。

具体实现过程如下。

（1）设计八位加法器利用2（1）中的四位加法器实现一个八位的串行加法器电路，如下图半编译后，建立波形文件，进行功能仿真结果如下检查正确无误后，进行全编译，然后将其封装成八位加法器模块，如下图封装后的八位加法器模块其中A7A6A5A4A3A2A1A0、B7B6B5B4B3B2B1B0为两个加数，CO1为来自低位的进位，S7S6S5S4S3S2S1S0为和，CO2为向高位的进位。

（2）设计四位乘法器A3A2A1A0为被乘数，B3B2B1B0为乘数，BSF 为乘数的符号位。

思路：将A3A2A1A0分别与B3、B2、B1、B0相乘，得到四个八位二进制数，将这四个八位二进制数相加即得到乘积的结果。

S7S6S5S4S3S2S1S0表示乘积，SF表示乘积的符号。

原理图如下：半编译后，建立波形文件，进行功能仿真，结果如下：检查正确无误后，进行全编译，然后将其封装成四位乘法器模块，如下图全加器的输入端，将A3A2A1A0、B3B2B1B0分别与S ’进行与运算后接到四位乘法器的输入端，最后将加法器和乘法器的对应输出做或运算，作为最终的输出。

这样，S=0时，加法器输出0，乘法器输出两个数的乘积，最终得到的是乘积，即进行了乘法运算；S=1时，乘法器输出0，加法器输出两个数的和，最终得到的是和，即进行了加法运算。

原理图如下半编译后，建立波形文件，进行功能仿真，结果如下：检查正确无误后，进行全编译，然后将其封装成简易计算器模块，如下图A3A2A1A0为被加数（被乘数），B3B2B1B0为加数（乘数），BSF为B3B2B1B0的符号，S 为控制端，将P11P10P9P8、P7P6P5P4、P3P2P1P0分别接到数码管ABC上,SF接到发光二极管上，功能如下：S=0时，ABC显示两个输入的数的乘积，二极管显示符号，发光表示负数，不发光表示正数；S=1时，ABC显示两个输入的数的和，二极管显示符号，发光表示负数，不发光表示正数。

下载到实验箱上验证功能按照上述过程最终得到了简易计算器，在实验室对简易计算器进行管脚锁定后下载到实验箱上，得到了预期的结果，验证过程进行得十分顺利。

验证功能完毕后，助教老师要求我在calculator工程下，新建一个波形文件，只进行7-15的运算（不记得当时要求的是什么运算了，以7-15为例），由于我之前已经建立过波形文件，因此在建立新的波形文件时，我用了默认的文件名Waveform1.vwf,结果仿真出来的波形却不符合要求。

后来我发现了这个错误，将新建的波形名改为calculator.vwf，结果就正确了，如下图所示：从图中看出，A3A2A1A0=0111， B3B2B1B0=1111，BSF=1， S=1，结果为SF=1，P11P10P9P8=0000，P7P6P5P4=0000， P3P2P1P0=1000，即7-15=-8。

通过这个问题的解决，我认识到在进行波形仿真时，每个工程的波形文件名称应该与其工程名称一致，这样才能得到正确的仿真结果，因此，在每个工程下每次只能存在一个波形文件，在建立新的波形文件时，应该将原来的波形文件覆盖。