2024寒假练-基于STEP BaseBoard V4.0实现的两位十进制加、减、乘、除计算器

内容介绍

一、项目介绍

本项目需实现一个两位十进制数加、减、乘、除运算的计算器，运算数和运算符（加、减、乘、除）由按键来控制，4x4按键分配如下图所示。

运算数和计算结果通过8个八段数码管显示。每个运算数使用两个数码管显示，左侧显示十位数，右侧显示个位数。输入两位十进制数时，最高位先在右侧显示，然后其跳变到左侧的数码管伤上，低位在刚才高位占据的数码管上显示。

二、设计思路

1.键盘输入

开发板上的矩阵键盘电路是通过4根行线(ROW1、ROW2、ROW3、ROW4)和4根列线(COL1、COL2、COL3、COL4)连接在一起的，其硬件电路图如下图所示。

对于矩阵按键来讲，4根行线是输入的，由FPGA控制拉高或者拉低；4根列线是输出的，由4根行线的输入及按键的状态决定，输出给FPGA。

在某一时刻，当ROW1=0、ROW2=1、ROW3=1、ROW4=1时，按下K1，对应的COL1=0，而COL2=1、COL3=1、COL4=1；按下K2，对应的COL2=0，而COL1=1，COL3=1，COL4=1。K3、K4同理。而对于K5~K16之间的按键，无论是否按下，4根列线输出都为1。

因此，当第一行被拉低时，如果检测到第一列输出低电平，则说明K1被按下；同理，当第三行被拉低时，如果检测到第3列输出低电平，则说明K11被按下。

因此我们可以按照扫描的方式，分为4个状态，分别对应行线中的某一根被拉低，然后检测其中的列线输出。4个状态依次循环，就完成了矩阵按键的全部扫描检测。其流程示意如下图所示。

检测出按下的按键后，按照要求中的按键分配进行相应的编码，就可以将按键转换成运算符与运算数。而对于运算数和运算符整个输入过程来说，又需要另一状态机来完成读入，其逻辑示意如下图所示。

2. 加法器实现

首先需要对两个运算数的类型进行判断，情况共分为4种：

（1）运算数1运算数2都为整数;

（2）运算数1为整数，运算数2为小数；

（3）运算数1为小数，运算数2为整数；

（4）运算数1运算数2都为整数。

在（1）和（4）中，我们将寄存器中的值进行转换后，直接进行相加即可。注意（4）中存在1位小数，要将对应的数码管小数点使能。数值转换即实际值=寄存器高4位*10+寄存器低4位。

对于（2）和（3），我们则需要将整数扩大十倍再进行计算。如4+2.5，实际值转换完分别为4和25，我们将4扩大十倍得到40，相加得到65，取一位小数位6.5，这样就得到了正确的结果。

3. 减法器实现

减法器的实现方式与加法器一致。但是因为时间和能力所限，没能实现输入输出涉及负数的相关运算，因此减法只能处理运算数1大于运算数2的情况。

4. 乘法器实现

乘法器的实现较为简单，结果直接为两个数相乘的结果。然后根据运算数情况算好小数点即可：

（1）若运算数1、2都为整数，无小数点；

（2）其中一个运算数为小数，结果1位小数；

（3）若运算数1、2都为小数，结果2位小数。

5. 除法器实现

（1）若运算数1、2都为整数，我们将运算数1（被除数）扩大100倍，再做整除，取两位小数。特别的，如果运算数1小于运算数2的话，我们需要将两位结果的前一位数码管显示0使能。

（2）若运算数1为小数，运算数2为整数，则需要将运算数1扩大10倍，再做整除，取两位小数。因为我们对于小数的存储，如2.5，是分别存储2和5以及小数点标记。转换成实际值实际上是25和小数点标记。因此如果我们要计算2.5÷2=1.25，则实际上是250/2=125，再加两位小数得到的。

（3）若运算数1为整数，运算数2为小数，则需要将运算数1扩大1000倍，再进行运算。

（4）若运算数1和运算数2都为整数，将运算数1扩大100倍，再进行计算。

6.结果显示

我们所有的计算结果，都是以16进制的形式储存在寄存器中的。因此我们需要将结果转换成BCD码后，再进行数码管扫描输出。这里采用经典的加3移位法。

例如，以1110（十进制14）为例：

我们取一个寄存器，首先送入结果最高位1，得到0001；然后送入第二位1，得到0011；然后送入第三位1，得到0111，这时，0111>0100（大于等于十进制的5，即大于十进制的4），我们进行修正，即0111+0011=1010；然后再送入最后一位0，得到10100，即0001_0100，这就是1110的BCD码。这样，我们就可以正常显示。

三、功能框图

四、核心代码

键盘输入读取及计算模块

always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
		if(!rst_n)begin//复位，所有寄存器清空
			state=STATE0;
			seg_data1=8'b0;
			seg_data2=8'b0;
			ope=3'b0;
			num1=16'b0;
			num2=16'b0;
			seg_out=16'b0;
			flag=2'b0;
			dot_en=8'b0;
			dat=8'b0;
		end else begin
			case(state)
			STATE0:begin
					flag[0]=1'b0;//运算数1的小数点标记
					case(key_pulse)
					16'h0001: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h7;state = STATE1;end//输入运算数1低位
					16'h0002: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h8;state = STATE1;end
					16'h0004: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h9;state = STATE1;end
					16'h0010: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h4;state = STATE1;end
					16'h0020: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h5;state = STATE1;end
					16'h0040: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h6;state = STATE1;end
					16'h0100: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h3;state = STATE1;end
					16'h0200: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h2;state = STATE1;end
					16'h0400: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h1;state = STATE1;end
					16'h1000: begin seg_data1[7:4]=4'h0;seg_data1[3:0] = 4'h0;dat[2]=1'b1;state = STATE1;end//输入为0的时候，要特别的将该位使能置高
					default:  ;
					endcase
					end
			STATE1:begin
					case(key_pulse)
					16'h0001: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h7;end//输入运算数1高位
					16'h0002: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h8;end
					16'h0004: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h9;end
					16'h0010: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h4;end
					16'h0020: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h5;end
					16'h0040: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h6;end
					16'h0100: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h3;end
					16'h0200: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h2;end
					16'h0400: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h1;end
					16'h1000: begin seg_data1[7:4] = flag[0]?seg_data1[7:4]:seg_data1[3:0];seg_data1[3:0] = 4'h0;dat[2]=1'b1;end
					16'h2000: begin seg_data1[7:4] = seg_data1[3:0];seg_data1[3:0]=0;flag[0]=1'b1;dot_en[3]=1'b1;dat[3]=1'b1;dat[2]=1'b0;end
					16'h0008:begin ope = divi ;state=STATE2;end//存储运算符
					16'h0080:begin ope = multi;state=STATE2;end
					16'h0800:begin ope = minus;state=STATE2;end
					16'h8000:begin ope = plus ;state=STATE2;end
					default: ;
					endcase
					end
			STATE2:begin
					flag[1]=1'b0;
					case(key_pulse)
					16'h0001: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h7;state = STATE3;end  //输入运算数2低位
					16'h0002: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h8;state = STATE3;end
					16'h0004: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h9;state = STATE3;end
					16'h0010: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h4;state = STATE3;end
					16'h0020: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h5;state = STATE3;end
					16'h0040: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h6;state = STATE3;end
					16'h0100: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h3;state = STATE3;end
					16'h0200: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h2;state = STATE3;end
					16'h0400: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h1;state = STATE3;end
					16'h1000: begin seg_data2[7:4]=4'h0;seg_data2[3:0] = 4'h0;dat[0]=1'b1;state = STATE3;end
					default: ;
					endcase
					end
			STATE3:begin
					case(key_pulse)
					16'h0001: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h7;end  //输入运算数2高位
					16'h0002: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h8;end
					16'h0004: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h9;end
					16'h0010: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h4;end
					16'h0020: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h5;end
					16'h0040: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h6;end
					16'h0100: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h3;end
					16'h0200: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h2;end
					16'h0400: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h1;end
					16'h1000: begin seg_data2[7:4] = flag[1]?seg_data2[7:4]:seg_data2[3:0];seg_data2[3:0] = 4'h0;dat[0]=1'b1;end
					16'h2000: begin seg_data2[7:4] = seg_data2[3:0];seg_data2[3:0]=0;flag[1]=1'b1;dot_en[1]=1'b1;dat[1]=1'b1;dat[0]=1'b0;end
					16'h4000:begin
							num1[15:0]=seg_data1[7:4]*10+seg_data1[3:0];
							num2[15:0]=seg_data2[7:4]*10+seg_data2[3:0];	
							case(ope)
						plus :begin
								case(flag)
								2'b00:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]+num2[15:0];end
								2'b01:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]+num2[15:0]*10;dot_en[5]=1'b1;end
								2'b10:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]*10+num2[15:0];dot_en[5]=1'b1;end
								2'b11:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]+num2[15:0];dot_en[5]=1'b1;end
								default:;
								endcase
							  end
						minus:begin
								case(flag)
								2'b00:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]-num2[15:0];end
								2'b01:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]-num2[15:0]*10;dot_en[5]=1'b1;dat[5]=1'b1;end
								2'b10:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]*10-num2[15:0];dot_en[5]=1'b1;dat[5]=1'b1;end
								2'b11:begin seg_out[15:0]=num1[15:0]-num2[15:0];dot_en[5]=1'b1;dat[5]=1'b1;end
								default:;
								endcase
							  end
						multi:begin
								seg_out[15:0]=num1[15:0]*num2[15:0];
								case(flag)
								2'b01:dot_en[5]=1'b1;
								2'b10:dot_en[5]=1'b1;
								2'b11:dot_en[6]=1'b1;
								default:;
								endcase
							  end
						divi:begin
								case(flag)
								2'b00:
									begin
										seg_out[15:0]=(num1[15:0]*100)/num2[15:0];
										dot_en[6]=1'b1;
										if(num1[15:0]<num2[15:0])
										dat[6]=1'b1;
									end
								2'b01:
									begin
										seg_out[15:0]=(num1[15:0]*10)/num2[15:0];
										dot_en[6]=1'b1;
										dat[6]=1'b1;
									end
								2'b10:
									begin
										seg_out[15:0]=(num1[15:0]*1000)/num2[15:0];
										dot_en[6]=1'b1;
										dat[6]=1'b1;
									end
								2'b11:
									begin
										seg_out[15:0]=(num1[15:0]*100)/num2[15:0];
										dot_en[6]=1'b1;
										dat[6]=1'b1;
									end
								default:;
								endcase
							 end
						default:;
						endcase 
							state=STATE0;
							if(seg_out==0)
								dat[4]=1'b1;
						end
					endcase
					end
				default:;

			endcase
				
						end
end

HEX2BCD模块

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		begin
			ge=4'b0;
			shi=4'b0;
			bai=4'b0;
			qian=4'b0;
			seg_ans=16'b0;
			end
	else begin
			ge=4'b0;
			shi=4'b0;
			bai=4'b0;
			qian=4'b0;
			seg_ans=16'b0;
	for(i=15;i>=0;i=i-1)
		begin
			if(ge[3:0]>=4'd5)ge[3:0]=ge[3:0]+4'd3;
			if(shi[3:0]>=4'd5)shi[3:0]=shi[3:0]+4'd3;
			if(bai[3:0]>=4'd5)bai[3:0]=bai[3:0]+4'd3;
			if(qian[3:0]>=4'd5)qian[3:0]=qian[3:0]+4'd3;
			
						qian={qian[2:0],bai[3]};
			bai={bai[2:0],shi[3]};
			shi={shi[2:0],ge[3]};
			ge={ge[2:0],seg_out[i]};
		end
	seg_ans={qian,bai,shi,ge};
	end
end

五、资源使用