EDA大作业 简易计算器

简易计算器EDA大作业报告人：xx班级：xx学号：xx简易计算器2/18EDA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QuartusII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。简易计算器3/18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QuartusII中构建原理图如下：简易计算器4/18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。VCCA1INPUTVCCB1INPUTVCCC1INPUTS1OUTPUTCO1OUTPUTXORinstXORinst1NAND2inst2NAND2inst3NAND2inst4A1B1C1S1CO1ywinst2四位加法器增加控制端K四位全加器译码原码输出四位全加器简易计算器5/18（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QuartusII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：VCCA3INPUTVCCA2INPUTVCCA1INPUTVCCA0INPUTVCCB3INPUTVCCB2INPUTVCCB1INPUTVCCB0INPUTVCCCO1INPUTS3OUTPUTS2OUTPUTS1OUTPUTS0OUTPUTCO2OUTPUTA1B1C1S1CO1ywinstA1B1C1S1CO1ywinst1A1B1C1S1CO1ywinst2A1B1C1S1CO1ywinst3简易计算器6/18封装后的四位加法器模块图中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：A3A2A1A0B3B2B1B0CO1S3S2S1S0CO2swjfinstVCCA3INPUTVCCA2INPUTVCCA1INPUTVCCA0INPUTVCCB3INPUTVCCB2INPUTVCCB1INPUTVCCB0INPUTVCCKINPUTVCCCO1INPUTY3OUTPUTY2OUTPUTY1OUTPUTY0OUTPUTCOOUTPUTNOTinst17A3A2A1A0B3B2B1B0CO1S3S2S1S0CO2swjfinstA1B1C1S1CO1ywinst1A1B1C1S1CO1ywinst2A1B1C1S1CO1ywinst3A1B1C1S1CO1ywinst4XORinst5XORinst6XORinst7XORinst8XORinst9XORinst10XORinst11XORinst12AND2inst13GNDXORinst15OR2inst19简易计算器7/18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，KA3B3A2B2A1B1A0B0CO1Y3Y2Y1Y0COswjiajianinst4简易计算器8/18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；