基于FPGA的计算器设计---第一版

欢迎各位朋友关注“郝旭帅电子设计团队”，本篇为各位朋友介绍基于FPGA的计算器设计---第一版。

功能说明：

1. 计算器的显示屏幕为数码管。

2. 4x4矩阵键盘作为计算器的输入设备。

3. 计算任意两位正整数的加减乘除。

4. 当减法结果出现负数时（一个小的数字减去一个大的数字），数码管需要显示负数。

5. 除法计算时，结果只输出商的整数，小数自动抹去。
注：矩阵键盘输入0-9，表示0-9；10表示加号（数码管显示A）；11表示减号（数码管显示b）；12表示乘号（数码管显示C）；13表示除号（数码管显示d）；14表示等于号。

使用平台：本次设计应用Altera的平台设计（芯片：EP4CE10F17C8N）。

作者QQ：746833924

说明：本篇设计中不涉及到IP和原语，代码在其他平台依然可以适用；当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；

设计思想如下：

keyboard4x4_drive模块为4x4矩阵键盘的驱动模块，负责检测4x4矩阵键盘被按下的按键信息；cal_logic模块为计算逻辑和控制显示信息的逻辑，负责根据矩阵键盘传递的按键信息进行计算，根据计算的过程控制输出需要显示的信息；seven_tube_drive（七段数码管驱动）模块负责将产生的数字逻辑显示到数码管上。

keyboard4x4_drive模块的设计思想和具体设计可以参考本公众号，获取方式：关注本公众号，发送“FPGA矩阵键盘驱动第一版”。

cal_logic模块的设计思想：利用状态机设计进行实现。共有八个状态。

  localparam      STATE_IDLE        =     8'b0000_0001;
  localparam      STATE_NUM1_1      =     8'b0000_0010;
  localparam      STATE_NUM1_2      =     8'b0000_0100;
  localparam      STATE_OPCODE      =     8'b0000_1000;
  localparam      STATE_NUM2_1      =     8'b0001_0000;
  localparam      STATE_NUM2_2      =     8'b0010_0000;
  localparam      STATE_EQUAL       =     8'b0100_0000;
  localparam      STATE_RESULT      =     8'b1000_0000;

STATE_IDLE ：空闲初始化状态；

STATE_NUM1_1 ：输入第一个操作数的第一位。

STATE_NUM1_2 ：输入第一个操作数的第二位。

STATE_OPCODE ：输入操作符。

STATE_NUM2_1 ：输入第二个操作数的第一位。

STATE_NUM2_2 ：输入第二个操作数的第二位。

STATE_EQUAL    ：输入等于号。

STATE_RESULT   ：计算输出结果。

复位结束后，在IDLE状态，初始化所有的中间变量和输出，之后进入STATE_NUM1_1。

        STATE_IDLE        :     begin
          state <= STATE_NUM1_1;
          num1 <= 8'd0;
          num2 <= 8'd0;
          opcode <= 4'd0;
          show_data <= 24'hfffff0;
        end

在STATE_NUM1_1状态中，当输入的数字0-9，认为是第一个操作数的第一位（显示到最后的数码管），然后进入STATE_NUM1_2，准备接收第一个操作数的第二位；如果输入数字10-13，认为是第一个操作数为0（数码管显示第一个操作数0和操作符），并且存储好操作符，进入STATE_NUM2_1，准备接收第二个操作数的第一位；如果输入为其他数字，则认为无效输入。

        STATE_NUM1_1      :     begin
          if (flag == 1'b1)
            if (press_num < 4'd10) begin
              state <= STATE_NUM1_2;
              num1 <= {4'd0, press_num};
              show_data <= {20'hfffff, press_num};
            end
            else
              if (press_num > 4'd9 && press_num < 4'd14) begin
                num1 <= 8'd0;
                state <= STATE_NUM2_1;
                opcode <= press_num;
                show_data <= {show_data[19:0], press_num};
              end
              else
                state <= STATE_NUM1_1;
          else
            state <= STATE_NUM1_1;
        end

在STATE_NUM1_2状态中，当输入的数字0-9，认为是第一个操作数的第二位（将第一个操作数的第一位和第二位都显示到数码管上）（计算得出num1），然后进入STATE_OPCODE，准备接收操作符；如果输入数字10-13，认为是第一个操作数为STATE_NUM1_1输入的数字（数码管显示第一个操作数和操作符），并且存储好操作符，进入STATE_NUM2_1，准备接收第二个操作数的第一位；如果输入为其他数字，则认为无效输入。

        STATE_NUM1_2      :     begin
          if (flag == 1'b1)
            if (press_num < 4'd10) begin
              state <= STATE_OPCODE;
              num1 <= num1 * 10 + press_num;
              show_data <= {show_data[19:0], press_num};
            end
            else
              if (press_num > 4'd9 && press_num < 4'd14) begin
                state <= STATE_NUM2_1;
                opcode <= press_num;
                show_data <= {show_data[19:0], press_num};
              end
              else
                state <= STATE_NUM1_2;
          else
            state <= STATE_NUM1_2;
        end

在STATE_OPCODE状态中，如果输入数字10-13，认为是第一个操作数为STATE_NUM1_1和STATE_NUM1_2输入的数字（数码管显示第一个操作数和操作符），并且存储好操作符，进入STATE_NUM2_1，准备接收第二个操作数的第一位；如果输入为其他数字，则认为无效输入。

        STATE_OPCODE      :     begin
          if (flag == 1'b1)
            if (press_num > 4'd9 && press_num < 4'd14) begin
              state <= STATE_NUM2_1;
              opcode <= press_num;
              show_data <= {show_data[19:0], press_num};
            end
            else
              state <= STATE_OPCODE;
          else
            state <= STATE_OPCODE;
        end

在STATE_NUM2_1状态中，如果输入数字0-9，认为是第二个操作数的第一个数字（数码管显示第一个操作数、操作符和第二个操作数的第一个数字），进入STATE_NUM2_2，准备接收第二个操作数的第二位；如果输入为其他数字，则认为无效输入。

        STATE_NUM2_1      :     begin
          if (flag == 1'b1)
            if (press_num < 4'd10) begin
              state <= STATE_NUM2_2;
              num2 <= press_num;
              show_data <= {show_data[19:0], press_num};
            end
            else
              state <= STATE_NUM2_1;
          else
            state <= STATE_NUM2_1;
        end

在STATE_NUM2_2状态中，当输入的数字0-9，认为是第二个操作数的第二位（将第一个操作数、操作符和第二个操作数显示到数码管上）（计算得出num2），然后进入STATE_EQUAL，准备接收等于号；如果输入数字14，认为是等于号，进入STATE_RESULT状态。如果输入为其他数字，则认为无效输入。

        STATE_NUM2_2      :     begin
          if (flag == 1'b1)
            if (press_num < 4'd10) begin
              state <= STATE_EQUAL;
              num2 <= num2 * 10 + press_num;
              show_data <= {show_data[19:0], press_num};
            end
            else
              if (press_num == 4'd14) begin
                state <= STATE_RESULT;
              end
              else
                state <= STATE_NUM2_2;
          else
            state <= STATE_NUM2_2;
        end

在STATE_EQUAL状态中，如果输入数字14，认为是等于号，进入STATE_RESULT状态。如果输入为其他数字，则认为无效输入。

        STATE_EQUAL       :     begin
          if (flag == 1'b1)
            if (press_num == 4'd14) begin
              state <= STATE_RESULT;
            end
            else
              state <= STATE_EQUAL;
          else
            state <= STATE_EQUAL;
        end

在STATE_RESULT状态中，只有按下复位才可以再次进行计算；在本状态中根据第一个操作数、操作符和第二个操作数进行计算，并且将计算的结果作为输出。

       STATE_RESULT      :     begin
          state <= STATE_RESULT;
          show_data[23:20] <= result[15] ? 4'he : 4'h0;
          show_data[19:16] <= result[15] ? (-result)/10000 : result/10000;
          show_data[15:12] <= result[15] ? (-result)/1000 % 10 : result/1000 % 10;
          show_data[11:8] <= result[15] ? (-result)/100 % 10 : result/100 % 10;
          show_data[7:4] <= result[15] ? (-result)/10 % 10 : result/10 % 10;
          show_data[3:0] <= result[15] ? (-result) % 10 : result % 10;
        end

七段数码管为普通六位一体的共阳极数码，采用动态驱动的方式，在此不再赘述。

仿真时，需要利用4x4矩阵键盘的仿真模型，否则不容易仿真（相关代码，下方链接提供）。

  calculator calculator_inst(
 
    .clk                    (clk            ),
    .rst_n                  (rst_n          ),
 
    .keyboard4x4_row        (keyboard4x4_row),
    .keyboard4x4_col        (keyboard4x4_col),
 
    .sel                    (sel            ),// 数码管位选信号
    .seg                    (seg            ) // 数码管段选信号
  );
 
  keyboard4x4 keyboard4x4_inst(
 
    .press_num              (press_num      ),
 
    .keyboard4x4_col        (keyboard4x4_col),
    .keyboard4x4_row        (keyboard4x4_row)
  );

模拟2+8；

    press_data(5'd2);
    press_data(5'd10);
    press_data(5'd8);
    press_data(5'd14);

模拟55-8；

    press_data(5'd5);
    press_data(5'd5);
    press_data(5'd11);
    press_data(5'd8);
    press_data(5'd14);

其他模拟情况，可以根据设计者自由模拟；

注意在计算一次完成后，需要进行一次复位（相当于计算器中的清除），然后才可以进行下一次计算。

讲解和演示视频链接如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1ew4m1S7Av/?vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55
     本设计所有内容（设计代码、设计工程）链接为：

链接：https://pan.baidu.com/s/1WKkfXU7XInPBNCUSvgs5Pw

提取码：s0f8

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