基于FPGA的查表式运算器的设计与仿真 通信技术专业.doc

题目: 基于FPGA的查表式运算器的设计与仿真 摘 要 随着我国的经济的发展，人们要求计算的方法更好简单和方便，尤其是在计算这个方面，所以对于运算器的设计是非常的重要的，所以为了更好的设计该设计采用了现场可编程逻辑器件FPGA设计，并基于硬件描述语言VHDL在Altera公司的Quartus Ⅱ软件上实现仿真。系统由计算部分、存储部分、显示部分和输入部分四个部分组成，计算部分为加法器、减法器、乘法器和除法器，存储部分需要3个存储器来实现：内部累加器（acc）、输入寄存器（reg）以及结果暂存器（ans）。显示部分由四个七段译码管组成，分别来显示输入数字，输入部分采用外接键盘，由0—9十个数字按键，加减乘除四个运算符按键，一个等号按键和一个清零按键组成的。通过外部的按键可以完成四位数之内的 ‘加’、‘减’、‘乘’、‘除’四种功能运算，其结构简单，易于实现。 关键词:FPGA；VHDL；计算器 38 Abstract This article describes the design of a simple calculator, the design uses Field Programmable Gate Array FPGA based on VHDL hardware description language to design and Altera's Quartus Ⅱ in software for emulation. This system is componentted by the calculation section, storage section, display and input section of the four parts, the computing part include adder, subtractor, multiplier and divider,Storage part needs three memory to help achieved: internal accumulator (acc), input register (reg) as well as the results of registers (ans). Display part is made up three decoder of 7 sections, respectively to show the number of input. Input part has ten number keys, from 0 – 9, also has addition and subtraction and multiplication and division arithmetic operator keys, a button and of equal sign and the clear key. Buttons can be done through external within the four-digit 'add', 'subtract', 'multiple', 'divede' the four kinds of functional operations, its structure is simple and easy to implement. Key words：FPGA;VHDL;calclute 目 录 第一章 引言 1 1.1 课题研究的目的与意义 1 1.2 国内外发展现状 1 1.3课题的主要技术路线 2 第二章 FPGA技术及硬件描述语言 3 2.1 FPGA技术的发展现状及与CPLD的比较 3 2.2 FPGA设计方法 5 2.3 利用硬件描述语言（HDL）的硬件电路设计方法 6 2.4 VHDL语言的特点 7 2.5 Quartus Ⅱ概述及其设计流程 7 第三章 系统总体设计 10 3.1 计算器的计算部分 10 3.2 计算器的存储部分 10 3.3 计算器的显示部分 11 3.4 计算器的输入部分 12 第四章 计算器的VHDL设计 14 4.1加法器的设计与仿真 14 4.2减法器的设计与仿真 15 4.3乘法器的设计与仿真 16 4.4 除法器的设计与仿真 18 第五章 结束语 20 参考文献 21 附 录 22 第一章 引言 1.1 课题研究的目的与意义 在人类学会买卖的时分，计算也随之爆发，而算盘成为计算最适用的工具存在了几千年。算盘也叫珠算，是中国人民发明的一种计算用具，古代时有“中国的计算机”的称号。算盘产生在我国汉代的前期，是由古代的“筹算”演化变成的，珠算这个词语，最早出现在汉末的三国演义时代的徐岳撰的《数术记遗》里，有一句叙述“珠算，控带四时，经纬三才”是出自出本里的。《乘除通变算宝》是南宋数学家杨辉的，里面有“九归”的口诀，刘因是元代人，也作了一首算盘的诗句，吴敬是明代人，他的的《九章详注比类算法大全》里写有珠算的大部分有关算法。在明清的时候，人们对算盘的运用就非常多，而对于算盘的制作大小，明万历年间的柯尚迁写的《数学通轨》里记载了13档算盘的图片，上有2珠，下有5珠，样似长方形，四周都是木框，里面有一个轴心，人们都叫作“档”，档的中间是用一根横木来分隔开来，运算的时候在确定位置后拨动珠字来进行计算。起初出世的每一种规格的算盘，全部在这个基础上发展起来。算盘的结构铸造十分简单，不仅便于掌握，而且使用的时候也很便利，它变成了计算和理财不能缺少的其中一种工具。算盘的传入是从明代开始，它来自朝鲜和日本等一些国家。清代的时候算盘根据经济和文化的交流被传进东南亚每个国家，在第二次世界大战结束后，美国在日本引入了一些算盘，看得出来算盘在现代人的生活里拥有非常重要的作用，无论是大商人或者是小商人都会通过运用小算盘来计算。不过根据人类文明的发展与现代科学技术的一直进步。算盘慢慢变成越来越不能满足一部分高强度和高难度与高速度的非常复杂的一种计算。就在这时，一种新型的电子类产品出世了，我们都叫它电子计算器。电子计算器是一种跨越了一个时代的伟大发明，比其算盘来，它的计算速度要快几百甚至几千倍，电子计算器的计算的结果也要比算盘更具精确度，它操作得非常方便，容易学会，它的计算的范围非常广泛，而且很灵巧，便于携带出门。电子计算器已经变成现代人生活中不可减少的计算用器，它给我们的生活带来了很大的便利。并且根据计算机的流行，更多的人在运用计算机，更多的工作都和计算机密不可分，也就是说计算机慢慢变成现代社会中不可缺少的计算用具，并且电子计算器拥有的功能也通过软件的形式使用到计算机里的软件世界里，它不仅给人们带来了很大的便利，还为现代人提供了更迅捷的计算速度，缩短了计算时间，和具有非常强大的运算功能。 1.2 国内外发展现状 （1）国外情况 如今在国外，集成电路出世后，电子计算器只用仅仅几年功夫就达成了一种技术发展，通过猛烈的市场竞争，如今的计算器技术就非常成熟。计算器已渐渐地脱离原本的“辅佐计算工具”的功用定位，正往着多功能化和可编程化的目的发展，在各个范围都得到了普遍的使用。计算器不但能够完成各种各样复杂的数学计算还能够来编制和运行程序，方程组也可以用来解决，图形计算器也能用图形解决。计算器的一些内置软件也容许用户使用一些类似于对计算机的文件与目录管理等操纵，同意用户自行定制图形界面，此时每一种新的技术也被使用到计算器里让计算器功能更加强大。也就是说，电子计算器也能被称为“微微型”的计算机。 （2）国内情况 在国内，有厂商也使用计算器芯片来发明新的产品，不过针对计算器技术的钻研和计算器的芯片的设计现在还是起步的阶段。“计算”是计算机的最主要公用，我们可以把它叫做“低档计算器”。就算是关于这种计算器，大部分厂家和商人也仅仅工作在组装计算器和销售的业务。一部分IC设计公司和芯片的供应商人也开始慢慢钻研和学习计算器技术。 1.3课题的主要技术路线 这次实验是做基于现场可编程逻辑器件FPGA来进行设计，不仅是运用了硬件描述语言VHDL，还编程，并且在Altera公司的Quartus Ⅱ软件上完成了仿真。我们还必须实现进行计算器的一部分常用到的运算功能，经过外接键盘输入、LED数码显示来达到和完成运算目标。 第二章 FPGA技术及硬件描述语言 2.1 FPGA技术的发展现状及与CPLD的比较 （1）FPGA技术的发展现状 FPGA是把英文Field Programmable Gate Array的缩写，也就是现场可编程门阵列，它是在CPLD和GAL与PAL等可编程器件的根本上更深入发展的产物。FPGA是作为专用集成电路（ASIC）领域中出现的的一种半定制电路，不但处理了定制电路的缺乏，还克服了原本存在的可编程器件门电路数有限的几个缺点。 FPGA使用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这个概念，它还包含可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block），输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个内部局部。FPGA的基本特点主要有： ⅰ.采纳FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片消费，就能获得合用的芯片。 ⅱ.FPGA能做其它全定制或者半定制ASIC电路的测试样片。 ⅲ.FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。 ⅳ.FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 ⅴ.FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 RAM中的程序是用来设置FPGA工作状态的，它存放在片内RAM的程序里，因而，工作时就得对片内的RAM进行编程。用户也能随着不同的配置方式，使用不同的编程方法。加电时，片内编程RAM被FPGA芯片读入一些EPROM中的一些数据，在配置完成后，FPGA就进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因而，FPGA能使用很多次。FPGA的编程不需要专用的FPGA编程器，只要通用的EPROM、PROM编程器就可以。当必要改正FPGA性能的时候，只要换一片EPROM就可以了。同一片FPGA，不同的编程数据，能够发生差别的电路性能。因而，FPGA的运用十分灵便。 FPGA和DSP处理器还相对应，尽管DSP处理器速度非常快，还对许多DSP运用来说很有用，不过还有一些应用要求功能需要再一步提高，而且FPGA还提供了更高的功能。FPGA能够生成一个定制硬件设计，控制逻辑可以实现在硬件中，不用再使用精确的时钟周期来实现控制功用。另外，经过缩小硬件的框架，FPGA还能够供应额定的功能。假如，速度是最关键的设计思考原因，这样一来我们能够在FPGA中设计一个齐全并行的算法解决方法。如今，诸多系统都包含了一个FPGA，用于胶合逻辑和协议转换或者一些其它系统功用。假如，那FPGA没有被全部运用，那可以把DSP功能加入里面，能够为系统节省一部分成本。并且假如标准产生了一些变化，FPGA的运用就不会有一切风险。FPGA的配置文件可以升级，就像一个软件一样，虽然它们必需被存储在系统的非易失性存储器中。 目前，FPGA设计的设计方法，通常使用的是Top-down（自顶向下）。系统被分成各个功能子模块，在系统级层次上使用行为描述，再对这些子模块进一步使用行为描述。 （2）FPGA与CPLD的比较 FPGA简要称呼叫现场可编程逻辑门阵列，它是电子设计的一个里程碑。CPLD的简要称呼叫复杂可编程逻辑器件。虽然FPGA和CPLD一起都是可编程ASIC器件,有很多共同特性,但