【正文】 ............................................................................................................ 15 鍵盤輸入模塊 .............................................................................................. 15 譯碼模塊 ...................................................................................................... 15 計(jì)算器數(shù)字系統(tǒng)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn) ............................................................................ 16 控制模塊 ...................................................................................................... 16 加法器 .......................................................................................................... 17 減法器 .......................................................................................................... 18 顯示模塊 ............................................................................................................ 19 計(jì)算器控制系統(tǒng)的頂層原理圖 ........................................................................ 20 本章小結(jié) ............................................................................................................ 21 第五章硬件實(shí)現(xiàn)計(jì)算器系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì) .............................................................. 22 計(jì)算器數(shù)字系統(tǒng)管腳鎖定 ................................................................................ 22 實(shí)驗(yàn)箱結(jié)果展示 ................................................................................................ 22 本章小結(jié) ............................................................................................................ 25 第六章 結(jié)束語 .............................................................................................................. 26 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 27 致謝 .............................................................................................................................. 29 VHDL 設(shè)計(jì) FPGA 數(shù)字 系統(tǒng)：計(jì)算器 1 VHDL 設(shè)計(jì) FPGA 數(shù)字系統(tǒng)：計(jì)算器 第 1章 緒論 計(jì)算器研究的背景和發(fā)展 在算術(shù)運(yùn)算中，想要節(jié)省時(shí)間，精力，并排除人為錯(cuò)誤的愿望，可能與算術(shù)科學(xué)本身一樣久遠(yuǎn)！此愿望使得各種以小物件計(jì)算的輔助工具的設(shè)計(jì)和制造得以實(shí)現(xiàn)，如卵石，起初零散使用，之后放在控制板上用以計(jì)數(shù)，隨后再以線串珠子并固定于框架上用以計(jì)數(shù)，名曰算盤。此工具可能由猶太人種族發(fā)明，并隨后由印度人使用，并從那里向西傳播至整個(gè)歐洲，向東至中國(guó)和日本 [1]。如圖 所示。 算盤發(fā)展后，在 1617 年 John Napier 設(shè)計(jì)他的編號(hào)棒或 Napier 骨之前，算盤都沒有進(jìn)一步的發(fā)展。骨制的多樣形式出現(xiàn)，這些已與機(jī)械計(jì)算的開始相接近，但是直到 1642 年 Blaise Pascal 才給我們發(fā)明了感覺上與今天相似的機(jī)械式計(jì)算機(jī)。如圖 所示。 圖 中國(guó)算盤 圖 1725 年 L233。pine 發(fā)明的一個(gè)機(jī)器和四個(gè) Pascal 計(jì)算器 VHDL 設(shè)計(jì) FPGA 數(shù)字系統(tǒng)：計(jì)算器 2 現(xiàn)代電子計(jì)算器包含帶按鈕的鍵盤用以數(shù)字和算術(shù)功能。有的計(jì)算器鍵盤甚至包含 00 和 000 鍵以便輸入大數(shù)字。最基本的計(jì)算器對(duì)每個(gè)按鍵分配唯一一個(gè)數(shù)字或運(yùn)算符。然而，在更復(fù)雜的計(jì)算器上，一個(gè)按鈕可以執(zhí)行多個(gè)功能 。 如今，計(jì)算器通常擁有液晶顯示器作為數(shù)據(jù)的顯示輸出。在更多的細(xì)節(jié)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。分?jǐn)?shù)如 1/3 被顯示為小數(shù)的近似值，例如四舍五入至 。 [8] 計(jì)算器也有將號(hào)碼存儲(chǔ)到內(nèi)存的能力。這種基本數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度非?？?。更復(fù)雜的計(jì)算器能夠存儲(chǔ)變量表示的數(shù)據(jù)。這些變量也可以用于構(gòu)造公式。某些計(jì)算器有擴(kuò)展存儲(chǔ)容量的能力，從而可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)；擴(kuò)展的地址被稱為數(shù)組索引 [2]。 計(jì)算器的電源是電池，太陽能電池或電力（老機(jī)型）與一個(gè)開關(guān)或按鈕接通。有些型號(hào)甚至沒有關(guān)閉按鈕，但它們提供了一些方法 來關(guān)閉電源，例如，長(zhǎng)時(shí)間沒有操作、覆蓋太陽能電池板，或關(guān)閉它們的蓋子。 課題研究 任務(wù) 本實(shí)驗(yàn)計(jì)算器采用 VHDL 語言來設(shè)計(jì)實(shí)用加減法計(jì)算器。在了 Altera 公司的Quartus II 軟件平臺(tái)上 進(jìn)行編程、編譯、綜合優(yōu)化、仿真 ，最后下載到 FPGA目標(biāo)芯片上，在 ZY11EDA13BE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算器系統(tǒng)的功能。 通過外接鍵盤輸入操作數(shù)和運(yùn)算符，通過數(shù)碼管和 LED指示燈來顯示操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果。如此，達(dá)到運(yùn)算目的， 可以更清晰的觀察計(jì)算器的運(yùn)行情況。 本次通過對(duì) 加減法計(jì)算器數(shù)字系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)，為 更復(fù)雜的計(jì)算器數(shù)字系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。 文章小結(jié) 本章介紹這幾世紀(jì)以來的計(jì)算器發(fā)展，還有 本次設(shè)計(jì)的研究任務(wù)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 VHDL 設(shè)計(jì) FPGA 數(shù)字系統(tǒng)：計(jì)算器 3 第二章項(xiàng)目基礎(chǔ) 軟件 與硬件 介紹 EDA 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ 英語 ： Electronic design automation， 縮寫 ： EDA） 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)，從事電子系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)的一項(xiàng)技術(shù) [3]。 EDA 的廣義定義范圍包括：半導(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化、可編程器件設(shè)計(jì)自動(dòng)化，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，印刷電路板設(shè)計(jì)自動(dòng)化 ， 仿真、測(cè)試、故障診斷自動(dòng)化 ， 形式驗(yàn)證自動(dòng)化 ? ?統(tǒng)稱為 EDA工程。 隨著集成電路規(guī)模的擴(kuò)大、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的重要性急劇增加。這些工具的使用者包括半導(dǎo)體器件制造中心的硬件技術(shù)人員，他們的工作是操作 半導(dǎo)體器件制造 設(shè)備并管理整個(gè)工作車間。一些以設(shè)計(jì)為主要業(yè)務(wù)的公司，也會(huì)使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件來評(píng)估制造部門是否能夠適應(yīng)新的設(shè) 計(jì)任務(wù)。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具還被用來將設(shè)計(jì)的功能導(dǎo)入到類似 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列 的半定制 可程式邏輯裝置 ，或者生產(chǎn) 全定制 的 特殊應(yīng)用積體電路 。 硬件描述語言 HDL (Hardware Description Language ) 是一種用于設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言，它用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式，與傳統(tǒng)的門級(jí)描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [4]。 EDA的特點(diǎn)及發(fā)展 現(xiàn)在人類社會(huì)已經(jīng)步入了信息時(shí)代，各種各樣的信息技術(shù)在我們的生活當(dāng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。信息時(shí)代的高速發(fā)展離不開電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)電子產(chǎn)品的進(jìn)步，而他們的核心就是 EDA技術(shù)。 EDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，是在電子 CAD的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)及智能化技術(shù)的最新成果，來進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動(dòng)設(shè)計(jì)，主要能輔助進(jìn)行 IC 設(shè)計(jì)，電子電路設(shè)計(jì)和 PCB設(shè)計(jì)三方面的設(shè)計(jì)工作。從 70 年代開始， EDA依次經(jīng)歷了 CAD、 CAE 和 ESDA 三個(gè)階段。有了 EDA 工具，電子產(chǎn)品從電路的設(shè)計(jì)、性能的分析到 PCB 設(shè)計(jì)的整個(gè)過程都可以在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。這主要是因?yàn)镋DA 技術(shù)利用計(jì)算機(jī)，根據(jù)硬件描述語言 HDL 完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，完成對(duì)于特定目標(biāo)的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫募尚酒?。電子設(shè)計(jì)人員根據(jù) “ 自頂向下 ” 的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)著手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用硬件描述語言對(duì)高層次的系統(tǒng)進(jìn)行描述，然后用綜 VHDL 設(shè)計(jì) FPGA 數(shù)字系統(tǒng)：計(jì)算器 4 合優(yōu)化工具生成具體門電路的網(wǎng)絡(luò)表。這種方式大大解放了設(shè)計(jì)人員，他們的工作僅是利用軟件的方式來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)，這有利于早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，同時(shí)還減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的效率。 EDA 技術(shù)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，已經(jīng)取得了日新月異的發(fā)展，每年都有新的EDA 工具問世，使得 EDA 軟件的功能日益完善，他們被應(yīng)用到我們生產(chǎn)生活中的方方面面，如機(jī)械、電子、通信、航空航天、醫(yī)療、生物、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。在進(jìn)入 21世紀(jì)的今天， EDA 技術(shù)必將朝著使用普及化、應(yīng)用廣泛化、功能多樣化和成本低廉化的方向發(fā) 展。 [7]