2024寒假练—基于小脚丫FPGA制作的两位十进制计算器

内容介绍

1 项目要求

（1）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，4×4键盘按键分配如下图所示。

（2）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上，低位在刚才高位占据的数码管上显示。

2 完成的功能介绍

2.1 功能框图

2.2 数码管显示

项目实现了运算数和结果的显示，具体如下：

（1）刚开机或复位后，显示0

（2）输入第一个运算数后，显示该运算数

（3）输入运算符后，不显示任何，等待输入第二个运算数

（4）输入第二个运算数后，显示该运算数

（5）点击等于后，显示计算结果，如这个例子中是计算32+68，则结果为100

（6）在有错误操作时，如连续输入两次运算符、不输入第二个运算数直接按等于号等等，则会显示ERROR

2.3 运算

项目实现了加减乘除四种运算，运算数限于两位数以内，其中减法可以得到负数结果，除法为整数除法，即结果去掉了小数点后的部分。

3 整体思路

整个项目可以分成以下几部分：

数码管显示
状态机编写
运算过程编写
按键输入部分

4 实现过程

4.1 数码管显示

这次活动的板子配置了74HC595，这是一个8位串行输入、并行输出的位移缓存器，以此来控制数码管，资料中提供了驱动的例程，本项目在例程的基础上修改每个数码管显示的值和使能信号，从而显示需要的内容。

值得注意的是，在将数值显示在数码管上时，需要将二进制编码改变为BCD编码方式，BCD码也称为二进码十进数，因为数码管需要显示十进制数据，若不转换编码方式，会对数据显示的正确性产生影响。这个程序在例程中也有相对应的，只需稍作修改。

4.2 状态机编写

为了实现计算过程的正常实现，本项目编写了状态机算法。设定初始（IDLE）、一个运算数（S_1N）、一运算数一运算符（S_1N1S）、两运算数（S_2N）、一结果（S_1R）、错误（ERROR）六种状态，将数入的按键分为数字、运算符、等于号三类，当有按键按下时，根据按键类型和目前状态确定下一状态。具体状态转变过程如下。

always@(posedge clk or negedge rst ) begin
    if (!rst) begin
        nstate <= 4'd0;end
     else if (key_pulse>16'd0)begin
        if (key_type==2'd0)//数字
            case (cstate)
                CAL_IDLE:nstate=S_1N;
                S_1N:nstate=S_1N;
                S_1N1S:nstate=S_2N;
                S_2N:nstate=S_2N;
                S_1R:nstate=S_1N;
                ERROR:nstate=S_1N;
                default:nstate=cstate;
            endcase
        else if (key_type==2'd1)//运算符
            case(cstate)
                CAL_IDLE:nstate=ERROR;
                S_1N:nstate=S_1N1S;
                S_1N1S:
				if (key<7'd16)
					nstate=ERROR;
				else	
						nstate=S_1N1S;
                S_2N:nstate=ERROR;
                S_1R:nstate=ERROR;
                ERROR:nstate=ERROR;
                default:nstate=cstate;
            endcase
        else if (key_type==2'd2)//等于
            case(cstate)
                CAL_IDLE:nstate=ERROR;
                S_1N:nstate=S_1R;
                S_1N1S:nstate=ERROR;
                S_2N:nstate=S_1R;
                S_1R:nstate=S_1R;
                ERROR:nstate=ERROR;
                default:nstate=cstate;
            endcase
        else
            nstate=cstate;
    end
end

与每个状态对应的，有不同的运算数、运算符、计算信号的变化方式，以及数码管显示的数值和位数等等信息，均在状态机部分进行了设置。

4.3 运算过程编写

运算过程没有什么难点，用正常的+、-、*、/就可以，值得注意的是当减法结果小于0时，需要进行判断，并更新负号显示状态：仅在结果显示时显示负号，一旦开始下一次计算，即一个数字类型按键被按下时，停止显示负号。

always@(posedge clk or negedge rst) begin
if (!rst)
s<=1'b0;//s为负号显示信号
if (cal_pulse==1'b1 & num2>num1 & operator==2'd2)
s<=1'b1;
else if (s_pulse==1'b1)
s<=1'b0;
else
s<=s;
end

4.4 按键输入部分

按键输入也移植了硬禾学堂提供的例程，但由于要编写状态机，选择使用key_pulse作为有输入信号的标志。另外，编写代码以获得按键的值和类型。

//我们把按键信息转换成计算器按键的值，数字按键的值就为0-9，运算符号按键的值为10-14，等于号按键的值为15，无输入时值为16
always@(key_in) begin
	case(key_in)
		16'h0001: key = 5'd7; //7
		16'h0002: key = 5'd8;	//8,
		16'h0004: key = 5'd9;	//9,
		16'h0008: key = 5'd10;	//除,
		16'h0010: key = 5'd4;	//4,
		16'h0020: key = 5'd5;	//5,
		16'h0040: key = 5'd6;	//6,
		16'h0080: key = 5'd11;	//x,
		16'h0100: key = 5'd3;	//3,
		16'h0200: key = 5'd2;	//2,
		16'h0400: key = 5'd1;	//1,
		16'h0800: key = 5'd12;	//-,
		16'h1000: key = 5'd0;	//0,
		16'h2000: key = 5'd14;	//.,
		16'h4000: key = 5'd15;	//=,
		16'h8000: key = 5'd13;	//+,
		default:  key = 5'd16;		//0
	endcase
end
//转换成按键类型的过程与上类似，类型共三种：1：数字（0-9），2：运算符（+、-、x、/），3：等于号（=）

5 FPGA资源占用报告

6 困难和还可以优化的问题

这次选择的题目相对来说比较简单，最主要的困难就是状态机的编写，各种信号的变化比较复杂，容易造成时序上的错误。
除法结果可以再添加小数部分。
在LCD上显示运算数和结果

7 未来计划和建议

这块板子的外设非常丰富，让人很心动，之后会进行更多的开发和练习。这次由于报名了教资（完全没想到要背那么多...），选择了较为简单的题目，之后会尝试一下其他的题目。