VHDL设计FPGA数字系统：计算器

1、大连海事大学装订线毕 业 论 文二一四年六月VHDL设计FPGA数字系统：计算器专业班级: 通信工程10-3班 姓 名: 马哈得 指导老师: 严 飞 信息科学技术学院摘要本文针对FPGA的计算器数字系统的设计，进行了软件硬件的仿真与实现。实现了计算器控制系统的最基本的加减法功能设计。本设计所研究的数字系统是由四个不同的模块完成的，包括键盘输入模块、译码模块、计算主控制模块以及数码管显示模块。当键盘输入信号时，依次通过这几个模块，完成数据的运算及显示。其中计算主控制模块完成加减运算，是系统核心模块。本设计利用EDA技术，用VHDL语言来编程实现四个模块的基本功能，在Quartus II软件中实现模块的设计、编译、综合、优化、仿真直至生成器件之后下载到 FPGA目标芯片上。在ZY11EDA13BE实验系统中完成计算器控制系统的功能的实现，通过键盘等操作输入数值、运算符号，通过数码管及指示灯显示系统运行结果，从而可以更清晰的观察了计算器的运行情况。关键词：计算器；EDA；FPGA；QuartusIIABSTRACTThis article for FPGA of the calculator

2、 digital system design, conducted a software hardware Simulation and Realization. A calculator to achieve the control system the most basic functions designs.This design studied Digital System is composed of added and subtracted of module to complete, including the keyboard input module, decoding module, calculate the main control module and a digital tube display module. When the keyboard input signal passes through these modules, complete data display computing requirements. This calculation c

3、ontrol system Math four computing module is the core.This design, with the aid of VHDL language to the programming four modules of the basic functions, is in Quartus II software realize the connection and function modules simulation, comprehensive optimization generation device until after the download to FPGA target chip. In the ZY11EDA13BE experimental system mid complete the calculator control function of the system the realization of, through the keyboard, etc. operation input numerical valu

4、e, computing symbols, through the digital pipe and indicator shows the operation of the system, and a clear view of the operation.Keywords: Calculator; EDA; FPGA; QuartusII;目录第一章绪论11.1计算器研究的背景和发展11.2课题研究任务21.3文章小结2第二章项目基础32.1软件与硬件介绍32.1.1EDA32.1.2EDA的特点及发展32.2Quartus II42.2.1QUARTUS 软件的用户界面42.2.2Quartus的开发流程52.3VHDL语言62.3.1VHDL发展现状62.3.2VHDL程序结构62.3.3VHDL语言的特点72.4FPGA82.4.1FPGA的概念82.4.2FPGA的基本特点82.5ZY11EDA13BE实验系统介绍92.6本章小结10第三章计算器数字系统设计方案介绍113.1总体方案设计113.1.1计算器功能和要求113.1.2计算器设计流程图123.2系统设计框图133

5、.3本章小结14第四章计算器系统主要模块设计154.1输入模块154.1.1键盘输入模块154.1.2译码模块154.2计算器数字系统运算的实现164.2.1控制模块164.2.2加法器17174.2.3减法器18184.3显示模块19194.4计算器控制系统的顶层原理图204.5本章小结21第五章硬件实现计算器系统主要模块设计225.1计算器数字系统管脚锁定225.2实验箱结果展示225.3本章小结25第六章结束语26参考文献27致谢29VHDL设计FPGA数字系统：计算器第1章 绪论1.1 计算器研究的背景和发展 在算术运算中，想要节省时间，精力，并排除人为错误的愿望，可能与算术科学本身一样久远！此愿望使得各种以小物件计算的辅助工具的设计和制造得以实现，如卵石，起初零散使用，之后放在控制板上用以计数，随后再以线串珠子并固定于框架上用以计数，名曰算盘。此工具可能由犹太人种族发明，并随后由印度人使用，并从那里向西传播至整个欧洲，向东至中国和日本1。如图1.1所示。算盘发展后，在1617年John Napier设计他的编号棒或 Napier骨之前，算盘都没有进一步的发展。骨制的多样形式出

6、现，这些已与机械计算的开始相接近，但是直到1642年Blaise Pascal才给我们发明了感觉上与今天相似的机械式计算机。如图1.2所示。图1.1 中国算盘图1.2 1725年Lpine发明的一个机器和四个Pascal计算器现代电子计算器包含带按钮的键盘用以数字和算术功能。有的计算器键盘甚至包含00和000键以便输入大数字。最基本的计算器对每个按键分配唯一一个数字或运算符。然而，在更复杂的计算器上，一个按钮可以执行多个功能。如今，计算器通常拥有液晶显示器作为数据的显示输出。在更多的细节上进行了技术改进。分数如1/3被显示为小数的近似值，例如四舍五入至0.33333333。8 计算器也有将号码存储到内存的能力。这种基本数据的存储速度非常快。更复杂的计算器能够存储变量表示的数据。这些变量也可以用于构造公式。某些计算器有扩展存储容量的能力，从而可以存储更多的数据；扩展的地址被称为数组索引2。 计算器的电源是电池，太阳能电池或电力（老机型）与一个开关或按钮接通。有些型号甚至没有关闭按钮，但它们提供了一些方法来关闭电源，例如，长时间没有操作、覆盖太阳能电池板，或关闭它们的盖子。1.2课题研究任

7、务本实验计算器采用VHDL语言来设计实用加减法计算器。在了altera公司的QuartusAltera公司的Quartus II 软件平台上进行编程、编译、综合优化、仿真，最后下载到FPGA目标芯片上，在ZY11EDA13BE实验系统实现计算器系统的功能。通过外接键盘输入操作数和运算符，通过数码管和LED指示灯来显示操作数和运算结果。如此，达到运算目的，可以更清晰的观察计算器的运行情况。本次通过对加减法计算器数字系统的设计，为更复杂的计算器数字系统的实现提供基础。1.3 文章小结本章介绍这几世纪以来的计算器发展，还有本次设计的研究任务，为后续的设计打下基础。第二章项目基础2.1 软件与硬件介绍2.1.1 EDA电子设计自动化（英语：Electronic design automation，缩写：EDA）即电子设计自动化技术，是利用计算机工作平台，从事电子系统和电路设计的一项技术3。EDA的广义定义范围包括：半导体工艺设计自动化、可编程器件设计自动化，电子系统设计自动化，印刷电路板设计自动化，仿真、测试、故障诊断自动化，形式验证自动化统称为EDA工程。随着集成电路规模的扩大、半导体技术的

8、发展，电子设计自动化的重要性急剧增加。这些工具的使用者包括半导体器件制造中心的硬件技术人员，他们的工作是操作半导体器件制造设备并管理整个工作车间。一些以设计为主要业务的公司，也会使用电子设计自动化软件来评估制造部门是否能够适应新的设计任务。电子设计自动化工具还被用来将设计的功能导入到类似现场可编程逻辑门阵列的半定制可程式逻辑装置，或者生产全定制的特殊应用积体电路。硬件描述语言 HDL (Hardware Description Language ) 是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计4。2.1.2 EDA的特点及发展现在人类社会已经步入了信息时代，各种各样的信息技术在我们的生活当中发挥着越来越重要的作用。信息时代的高速发展离不开电子设计技术的发展和相关电子产品的进步，而他们的核心就是EDA技术。 EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，是在电子CAD的技术基础上发展起来的计算机软件系统，以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理技术及智能化技术的最新成果，来进行电子产品的自动设计，主要能辅助进行IC设计，电子电路设计和PCB设计三方面的设计工作。从70年代开始，EDA依次经历了CAD、CAE和ESDA三个阶段。有了EDA工具，电子产品从电路的设计、性能的分析到PCB设计的整个过程都可以在计算机上自动处理完成。这主要是因为EDA技术利用计算机，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，完成对于特定目标的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用的集成芯片。电子设计人员根据“自顶向下”的设计方法，从系统设计着手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，用硬件描述语言对高层次的系统进行描述，然后用综合优化工具生成具体门电路的网络表。这种方式大大解放了设计人员，他们的工作仅是利用软件的方式来完成对系统硬件功能的实现，这有利于早期发现设计上的错误，同时还减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的效率。EDA技术是电子设计领域的一场革命，已经取得了日新月异的发展，每年都有新的EDA工具问世，使得EDA软件的功

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