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今天给大侠带来基于FPGA的计算器设计，附源码，获取源码，请在“FPGA技术江湖”公众号内回复“ 计算器设计源码”，可获取源码文件。话不多说，上货。
设计原理
在日常的生活和学习中，我们经常能用到计算器，计算器的设计可以让我们加深对设计思想以及设计方法的理解，训练实操能力，紧密的联系各模块， 对我们的学习有很大的帮助和提升。下面咱们就来一起看一下。
本次的设计主要通过矩阵键盘来实现按键的加减乘除运算，通过按下有效键值来当被加数或者被除数等等，按下10 -- 13等数字来表示对应的运算符。按键键值15表示等于号。
此次的设计是通过数码管来实现显示的，通过按下对应的按键来显示到数码管上，百位十位个位等等。当按下运算算符的时候显示清0不显示东西，之后通过继续按下别的键值来显示出对应的加数和除数等等，之后通过按下对应的键值15表示等于后，然后数码管清0之后立马显示出对应的等于的数。
设计架构
设计框架图：
设计代码:
顶层模块calc代码：
代码语言：javascript复制module calc(clk,rst_n,row,col,sel,seg7); //端口列表
input clk; //时钟
input rst_n; //复位
input [3:0] row; //行信号
output [3:0] col; //列信号
output [2:0] sel; //数码管位选信号
output [7:0] seg7; //数码管段选信号
wire [23:0] data;
//例化数码管模，和矩阵键盘模块
key_borad key_borad_dut(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.row(row),
.col(col),
.data(data)
);
seg seg_dut(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.sel(sel),
.seg7(seg7),
.data_in(data)
);
endmodulekey_borad代码：
代码语言：javascript复制module key_borad(clk,rst_n,row,col,data);
input clk; //时钟 50M
input rst_n; //复位
input [3:0] row; //输入行信号
output reg [3:0] col; //输出列信号
output reg [23:0] data;
//状态变量，表示
parameter s0 = 3'b00;
parameter s1 = 3'b01;
parameter s2 = 3'b10;
parameter s3 = 3'b11;
parameter s4 = 3'b100;
parameter s5 = 3'b101;
//parameter T1ms = 50000; //扫描间隔
parameter T1ms = 2;
//parameter T10ms= 500_000; //按键消抖时间
parameter T10ms = 20;
wire flag;
reg [15:0] count;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
begin
count <= 16'd0;
end
else
begin
if(count < T1ms - 1 ) //计数1K的频率时间
count <= count 1'b1;
else
begin
count <= 16'b0;
end
end
assign flag = (count == T1ms - 1) ? 1'b1 : 1'b0; //计数到了就给一个高脉冲，反之低脉冲
reg [2:0] state;
reg [7:0] row_col;
reg [18:0] cnt;
reg data_flag;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
begin
state <= 3'b0;
row_col <= 8'b1111_1111;
data_flag <= 1'b0;
col <= 4'b0000;
cnt <= 19'b0;
end
else
begin
case (state)
s0: begin
if(row == 4'b1111) //如果没有按下
begin
data_flag <= 1'b0;
col <= 4'b0000;
end
else //表示按下，跳转下一个状态
begin
data_flag <= 1'b0;
state <= s1;
end
end
s1: begin
if(row == 4'b1111) //如果是抖动跳转0状态
begin
cnt <= 19'b0;
state <= s0;
end
else
begin
if(cnt < T10ms - 1) //计数相应的时间，消抖处理
begin
cnt <= cnt 1'b1;
end
else
begin
cnt <= 19'b0;
state <= s2;
col <= 4'b0111; //消抖完表示按键有效
end
end
end
s2: begin
if (row != 4'b1111) //表示导通
begin
state <= s3; //导通后跳转下一个状态
row_col <= {row,col}; //拼接行和列信号
end
else //行信号不导通，开始进行列扫描
begin
if(flag)
begin
col <= {col[2:0],col[3]}; //1ms进行一次列扫描
end
else
begin
col <= col;
end
end
end
s3:begin
if(row == 4'b1111) //按键抬起
begin
state <= s0;
data_flag <= 1'b1; //表示一次成功的按键，输出一个高脉冲
end
else
begin
state <= s3;
end
end
default: state <= s0;
endcase
end
reg [3:0] key_num;
//键值的翻译模块的表示
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
key_num = 4'd0;
else
case ({row_col})
8'b0111_0111:key_num = 4'hf;
8'b0111_1011:key_num = 4'he;
8'b0111_1101:key_num = 4'hd;
8'b0111_1110:key_num = 4'hc;
8'b1011_0111:key_num = 4'hb;
8'b1011_1011:key_num = 4'ha;
8'b1011_1101:key_num = 4'h9;
8'b1011_1110:key_num = 4'h8;
8'b1101_0111:key_num = 4'h7;
8'b1101_1011:key_num = 4'h6;
8'b1101_1101:key_num = 4'h5;
8'b1101_1110:key_num = 4'h4;
8'b1110_0111:key_num = 4'h3;
8'b1110_1011:key_num = 4'h2;
8'b1110_1101:key_num = 4'h1;
8'b1110_1110:key_num = 4'h0;
default: ;
endcase
//计算模块的表示
reg [2:0] state_s; //状态变量
reg [23:0] num1,num2,data_in,data_t; //信号变量
reg [3:0]flag_s; //运算符
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
data <= 24'b0;
state_s <= s0;
num1 <= 24'b0;
num2 <= 24'b0;
data_t <= 24'b0;
flag_s <= 4'b0;
data_in <= 24'b0;
end
else
begin
case (state_s)
s0:begin
if(data_flag) //如果有一次按下
begin
if(key_num < 4'd9) //键值小于9便是有效
begin
num1 <= num1*10 key_num; //BCD码转为2进制
data <= {data[19:0],key_num}; //数码管移位
end
if(key_num > 4'd9 && key_num < 4'd14) //10 -- 13 表示运算符
begin
data <= 24'b0;
state_s <= s1;
flag_s <= key_num;
end
else //否则无效信号
state_s <= s0;
end
end
s1:begin
if(data_flag)//如果有一次按下
begin
if(key_num <4'd9 ) //键值小于9便是有效
begin
num2 <= 10*num2 key_num;//BCD码转为2进制
data <= {data[19:0],key_num};//数码管移位
end
if(key_num > 4'd9 && key_num < 4'd14)//10 -- 13 表示运算符
begin
state_s <= s1;
end
if(key_num == 15) //表示等于
begin
state_s <= s2;
end
end
end
s2:begin
state_s <= s3;
case (flag_s)
4'd10 :begin //加运算
data_in <= num1 num2;
state_s <= s3;
end
4'd13 :begin //乘运算
data_in <= num1 * num2;
state_s <= s3;
end
endcase
end
s3:begin //二进制转为BCD码显示到对应的数码管上
data[3:0] = data_in % 10;
data[7:4] = data_in / 10 % 10;
data[11:8] = data_in / 100 % 10;
data[15:12] = data_in / 1000 % 10;
data[19:16] = data_in / 10000 % 10;
data[23:20] = data_in / 100000;
state_s <= s0;
data_in <= 24'b0;
end
default: state_s <= s0;
endcase
end
end
/*
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
begin
data <= 24'b0;
end
else
begin
if(data_flag)
begin
data <= {data[19:0],key_num};
if(key_num == 4'hf)
data <= {data[15:0],4'hf,data[11:8] - data [3:0]};
end
else
begin
data <= data;
end
end
*/
endmoduleseg代码：
代码语言：javascript复制module seg(clk,rst_n,sel,seg7,data_in);
input clk;
input rst_n;
input [23:0] data_in;
output reg [2:0] sel;
output reg [7:0] seg7;
parameter s0 = 3'b000;
parameter s1 = 3'b001;
parameter s2 = 3'b010;
parameter s3 = 3'b011;
parameter s4 = 3'b100;
parameter s5 = 3'b101;
`define T1ms 50_000
//`define T1ms 5
reg [15:0] count;
wire flag;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
begin
count <= 15'b0;
end
else
if(count == `T1ms - 1)
begin
count <= 15'b0;
end
else
begin
count <= count 1'b1;
end
assign flag =(count == `T1ms - 1) ? 1'b1 : 1'b0;
reg [2:0] state;
reg [3:0] num;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
begin
sel <= 3'b0;
state <= 3'b0;
num <= 4'b0;
end
else
begin
case (state)
s0:begin
if(flag)
state <= s1;
else
begin
sel <= 3'b000;
num <= data_in[23:20];
end
end
s1:begin
if(flag)
state <= s2;
else
begin
sel <= 3'b001;
num <= data_in[19:16];
end
end
s2:begin
if(flag)
state <= s3;
else
begin
sel <= 3'b010;
num <= data_in[15:12];
end
end
s3:begin
if(flag)
state <= s4;
else
begin
sel <= 3'b011;
num <= data_in[11:8];
end
end
s4:begin
if(flag)
state <= s5;
else
begin
sel <= 3'b100;
num <= data_in[7:4];
end
end
s5:begin
if(flag)
state <= s0;
else
begin
sel <= 3'b101;
num <= data_in[3:0];
end
end
default:state <= s0;
endcase
end
always @ (*)
begin
case (num)
0:seg7 <= 8'b1100_0000;
1:seg7 <= 8'b1111_1001;
2:seg7 <= 8'b1010_0100;
3:seg7 <= 8'b1011_0000;
4:seg7 <= 8'b1001_1001;
5:seg7 <= 8'b1001_0010;
6:seg7 <= 8'b1000_0010;
7:seg7 <= 8'b1111_1000;
8:seg7 <= 8'b1000_0000;
9:seg7 <= 8'b1001_0000;
10:seg7 <= 8'b1000_1000;
11:seg7 <= 8'b1111_0111; // '-'
12:seg7 <= 8'b1100_0110;
13:seg7 <= 8'b1010_0001;
14:seg7 <= 8'b1000_0110;
15:seg7 <= 8'b1111_0110; // '= '
default:;
endcase
end
endmoduleyingjian模块代码：
代码语言：javascript复制module yingjian(clk,rst_n,col,row,pressnum);
input clk;
input rst_n;
input [3:0] col;
input [4:0] pressnum;
output reg [3:0] row;
always @ (*)
begin
case (pressnum)
0: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[0]};
1: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[1]};
2: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[2]};
3: row = {1'b1,1'b1,1'b1,col[3]};
4: row = {1'b1,1'b1,col[0],1'b1};
5: row = {1'b1,1'b1,col[1],1'b1};
6: row = {1'b1,1'b1,col[2],1'b1};
7: row = {1'b1,1'b1,col[3],1'b1};
8: row = {1'b1,col[0],1'b1,1'b1};
9: row = {1'b1,col[1],1'b1,1'b1};
10: row = {1'b1,col[2],1'b1,1'b1};
11: row = {1'b1,col[3],1'b1,1'b1};
12: row = {col[0],1'b1,1'b1,1'b1};
13: row = {col[1],1'b1,1'b1,1'b1};
14: row = {col[2],1'b1,1'b1,1'b1};
15: row = {col[3],1'b1,1'b1,1'b1};
16: row = {1'b1,1'b1,1'b1,1'b1};
default:;
endcase
end
endmodule仿真测试
测试模块calc_tb代码：
代码语言：javascript复制`timescale 1ns/1ps
module calc_tb();
reg clk;
reg rst_n;
reg [4:0] pressnum;
wire [3:0] row;
wire [3:0] col;
wire [3:0] key_num;
initial begin
clk = 1'b1;
rst_n = 1'b0;
pressnum = 5'd16;
#200.1
rst_n = 1'b1;
#2000
pressnum = 5'd16;
#1000
pressnum = 5'd5;
#1000
pressnum = 5'd16;
#1250
pressnum = 5'd10;
#1250
pressnum = 5'd16;
#1250
pressnum = 5'd2;
#1250
pressnum = 5'd16;
#1250
pressnum = 5'd15;
#1250
pressnum = 5'd16;
#2000
#2000
$stop;
end
always #10 clk = ~clk;
calc calc_dut(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.row(row),
.col(col),
.sel(sel),
.seg7(seg7)
);
yingjian yingjian_dut(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.col(col),
.row(row),
.pressnum(pressnum)
);
endmodule仿真图：
从仿真图中可以看出，在仿真中我们设置的是先按下5，再10，之后2，然后按下等于15.通过观察仿真正确，之后由于设计中我们10是表示加法，那么5 2 = 7 ：结果显示正确。
END
后续会持续更新，带来Vivado、 ISE、Quartus II 、candence等安装相关设计教程，学习资源、项目资源、好文推荐等，希望大侠持续关注。
大侠们，江湖偌大，继续闯荡，愿一切安好，有缘再见！
