基于FPGA的查表式运算器的设计.pdf

FPGA技术在电子计算器设计中的应用及其设计细节 一、引言 本文针对基于现场可编程门阵列（FPGA）技术的查表式运算器的设计进行了研究。FPGA作为一种可以现场重新编程的硬件设备，因其灵活性、高效性和较低的成本，被广泛应用于各种电子系统的设计中。本文所讨论的FPGA运算器主要包括四个部分：计算、存储、输入和显示。这些组成部分通过特定的电路设计与编程语言VHDL实现了加、减、乘、除等基础计算功能。 二、计算器系统设计的四个部分 1. 计算部分 计算器的计算部分是整个运算器的核心，它决定了运算器可以进行的计算类型和精度。本设计采用8位或4位二进制计算方式，使用VHDL语言进行编程。VHDL语言中的运算符能够连接各个数字之间的计算过程。设计中特别指出，VHDL语言实现的除法运算仅限于2的幂次方，因此，对于一般除法运算需要通过设计一个专门的除法器来完成。此除法器采用左移运算和减法运算来实现。 2. 存储部分 存储部分在计算器设计中占据着举足轻重的地位。在本设计中，利用三个存储器实现计算器的存储功能：结果暂存器（ans）、输入寄存器（reg）和内部累加器（acc）。这些存储器能够临时保存用户的输入以及计算过程中的中间结果。例如，在输入数字时，通过多次按键输入，并将数字分别乘以相应的10的幂次方，然后与之前输入的数字进行加法运算，从而得到最终的计算结果。 3. 显示部分 显示部分的目的是将计算器的运算结果展示给用户。本设计采用Fede屏幕，配合BCD码来诠释输出表达方式，并在FPGA内部使用译码程序实现数据的显示。为实现数字的多位显示，采用了共阳极七段译码管，通过特定的电路设计，让译码器在输出过程中依次点亮对应的管脚。这样，通过从左到右、从高到低的顺序控制七段LED，将计算结果以直观的方式展示出来。 4. 输入部分 输入部分涉及到用户的操作界面设计。在本设计中，通过七段译码器来显示数字的个位、十位和百位。用户在输入数字时，每一次按键都会根据输入的先后顺序，通过适当的译码逻辑，将数字准确地显示在相应的位上。为了实现加减乘除等运算，输入部分还设计了对应的按键，并通过编程实现对这些按键的不同译码逻辑，以完成运算指令的输入。 三、FPGA在计算器设计中的优势 FPGA相较于传统集成电路设计，具有以下优势： - 灵活性：通过编程即可改变硬件电路的功能，适应不同的应用场景。 - 可重编程性：设计出现问题或者需求变更时，可以重新编程来修正或更新设计。 - 开发周期短：由于无需制作专用的硬件电路，可以加快开发速度。 - 高性能：FPGA可以设计成并行处理结构，提高计算效率。 - 成本效益：在小批量或者原型设计阶段，FPGA比专用集成电路更具成本效益。 四、查表式运算器的设计实例 在设计实例中，通过使用VHDL语言编写的程序，能够通过仿真评估其准确性和合理性。文中提到的一个具体例子是一个16位加法器的仿真，演示了如何通过级联两个4位二进制加法器实现一个8位的二进制加法器。此外，还展示了四位全减器的原理框图，进一步证明了设计的可行性。 基于FPGA的查表式运算器设计涉及到了电子技术、硬件开发、数字逻辑设计等多方面知识。本文不仅介绍了查表式运算器的基本结构和功能实现方法，还深入探讨了FPGA技术在电子计算器设计中的应用，以及其相较于传统设计的优势和实现细节。通过理解这些知识点，可以帮助设计者更好地利用FPGA技术，开发出既高效又精确的电子计算设备。