## 计算器实验
### 1. 实验内容
本实验要求实现一个两位十进制数加减乘除运算的计算器，运算数和运算符（加、减、乘、除）由按键来控制，4×4键盘按键分配如图11-1所示。
{{ :图11-1.png |图11-1 4×4键盘按键分配图}}
**图11-1 4×4键盘按键分配图**
运算数和计算结果通过8个八段数码管显示。每个运算数使用两个数码管显示，左侧显示十位数，右侧显示个位数。输入两位十进制数时，最高位先在右侧显示，然后其跳变到左侧的数码管上，低位在刚才高位占据的数码管上显示。各数码管所显示的内容对应如表 11-1所示。
**表 11-1 数码管显示内容**
|运算数一|L7，L8|
|运算数二|L9,L10|
|运算结果|L11,L12,L13,L14|
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### 2. 实验原理
本实验以前面的键盘扫描和数码管显示为基础。利用按键输入两个十进制运算数和运算符（加、减、乘、除），然后进行相应的运算。其中对除法运算只能得到整数部分。由于输入的是十进制数，因此在运算时要先将十进制数转换为二进制数。在得到结果后，再将结果转换为十进制数，显示在八位数码管上。本程序的关键在于状态机的设计，计算器要求根据不同的按键输入来决定状态迁移。
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### 3. 实验设计
#### 3.1 总体框架
本设计的顶层模块是calculator，包括以下子模块（图11 1）：\\
1. Scan_clk模块产生键盘扫描和数码管显示所需要的扫描时钟。\\
2. Scan模块完成按键的扫描，获取用户按键。\\
3. Datain模块是程序的核心模板，完成按键和操作符及运算数的对应，完成用户要求的运算。\\
4. Data_2_disp和disp_scan模块负责运算数和运算结果的译码及显示，这个与前面键盘扫描实验一样。
{{ :图11-2.png |图11-2 计算器程序模块图}}
**图11-2 计算器程序模块图**
下面主要介绍Datain模块，其它模块在前面程序中已经介绍过。
#### 3.2 datain模块（datain.v）
datain对键盘扫描到的按键进行处理，获得运算数和运算符，并得出结果。输入输出接口如下：
input clk, reset; //时钟和复位信号。
input keyout_en; //按键输入使能。
input [3:0]add_r, //按键行线输入
input [3:0]add_c; //按键列线输入
output [7:0]dec_a; //运算数一输出
output [7:0]dec_b; //运算数二输出
output [15:0]dec_o; //运算结果输出
datain模块的主状态机为State，State的状态图如图11 3所示。State有四个状态：操作数1（operand1）、操作数2（operand2）、运算符（operate_ch）、结果（equal）：\\
1. operand1是系统的初始状态。在Operand1状态，系统等待用户输入。当有数字输入时，状态继续在operand1状态，等待下一个输入输入；如果输入为“加”、“减”、“乘”、“除”中的任意一个运算符，则进入operate_ch状态。\\
2. 在operate_ch状态，如果输入仍为运算符，则继续停留在operate_ch状态；如果输入为数字，则进入operand2状态，等待操作数2更多的输入；如果此时输入为“清零”，则回到operand1状态，恢复到初始状态。\\
3. 在operand2状态，如果输入为数字，则继续停留在operand2状态，并记录输入的数字；如果输入为“＝”，则计算结果并进入equal状态；如果输入为“清零”，则回到operand1状态，恢复到初始状态。\\
4. 在equal状态，如果输入为“清零”，则回到operand1状态，恢复到初始状态；否则维持在原状态。
{{ :图11-3.png |图11-3 State状态机状态转移图}}
**图11-3 State状态机状态转移图**
下面为详细代码分析。要控制状态机首先要识别输入的按键：
always @(posedge clk or negedge reset) begin
if(!reset) begin
reg_in <= 4'b0000;
mode <= 4'b0000;
end
else begin
keyout_en_delay <= keyout_en; //状态机在keyout_en_delay控制下工作，keyout_en_delay将按键输入使能延迟一个时钟周期，以便在按键识别后控制状态机，
if((add_r != 4'b1111)&&(add_c != 4'b1111))
//根据输入的键盘行值和列值判断按键。
case(add_r)
4'b0100:
case(add_c)//7,8,9,/
4'b0100: reg_in <= 4'b0111; //reg_in记录了输入的数字,输入为7。
4'b0011: reg_in <= 4'b1000; //输入为8。
4'b0010: reg_in <= 4'b1001; // 输入为9。
4'b0001: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b1000; end //输入为除法。mode记录了运算符，4’b1000表示除法。
default: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b0000; end
endcase
4'b0011:
case(add_c)//4,5,6,*
4'b0100: reg_in <= 4'b0100; //输入为4。
4'b0011: reg_in <= 4'b0101; //输入为5。
4'b0010: reg_in <= 4'b0110; //输入为6。
4'b0001: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b0100; end
//输入为乘法。
default: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b0000; end
endcase
4'b0010:
case(add_c)//1,2,3,-
4'b0100: reg_in <= 4'b0001; //输入为1。
4'b0011: reg_in <= 4'b0010; //输入为2。
4'b0010: reg_in <= 4'b0011; //输入为3。
4'b0001: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b0010; end
//输入为减法。
default: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b0000; end
endcase
4'b0001://0、清零、=、＋
case(add_c)
4'b0100: reg_in <= 4'b0000; //输入为0；
4'b0011: begin reg_in <= 4'b0000; clear <= 1; end//输入为清零。
4'b0010: begin reg_in <= 4'b0000; calc <= 1; end //输入为等于。
//clear为高表示清零，calc为高表示要求输出计算结果。
4'b0001: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b0001;end //输入为加法。
default: begin reg_in <= 4'b0000; mode <= 4'b0000; end
endcase
end
end
状态机跳转分析：
always @ (posedge clk or negedge reset)
begin
if( !reset ) begin
dec_a <= 8'b0000_0000;
dec_b <= 8'b0000_0000;
dec_o <= 16'b0;
state <= operand1;
end
else begin
if ( clear ) begin //如果输入的按键是清零，则回到operand1状态。
dec_a <= 8'b0000_0000;
dec_b <= 8'b0000_0000;
dec_o <= 16'b0;
state <= operand1;
end
else
if(keyout_en_delay) //如果有按键输入。
case(state) //进入状态机控制部分。
operand1: begin //输入第一个运算数
// 当扫描到第四列的键盘时，说明有运算符输入，则下个周期进入operate_ch状态
if(add_c == 4'b0001)
state <= operate_ch;
else
begin
state <= operand1;
//将输入数字赋值给dec_a的低四位。同时原来的低四位进位到高四位。 dec_a <= {dec_a[3:0],reg_in};
end
end
operate_ch: begin //输入运算符
if(add_c != 4'b0001) begin
state <= operand2; //当扫描到键盘不在第四列时，则下个周期进入operand2状态，输入第二个运算数。
dec_b <= {dec_b[3:0],reg_in}；//记录输入的运算数。
end
end
operand2: begin
if( calc ) begin //如果输入的是等号，则输出计算结果。
state <= equal;
dec_o <= result; //result为计算结果。
end
else begin //否则记录新输入的数字。
state <= operand2;
dec_b <= {dec_b[3:0],reg_in};
end
end
equal: //在equal状态维持不变。
begin
end
default:
begin state <= operand1; end //默认状态为operand1
endcase
#### 3.3 calculate模块（calculate.v）
Calculate模块完成两位十进制整数的四则运算，此模块为datain模块的子模块，输入输出接口如下：
input clk,reset; //时钟和复位。
input [3:0]mode; //四则运算符输入。
input [IN_WIDTH-1:0]dec_a; //运算数一输入。
input [IN_WIDTH-1:0]dec_b; //运算数二输入。
output [O_WIDTH-1:0]result; //运算结果 输出。
assign hex_a = dec_a[7:4]*4'b1010 + dec_a[3:0]; //dec_a的前四位是十进制数的十位数，后四位是十进制数的个位数。将dec_a转换为二进制数 hex_a。
assign hex_b = dec_b[7:4]*4'b1010 + dec_b[3:0];
always @ (posedge clk or negedge reset) begin
if(!reset)
temp <= 16'b0;
else begin
case(mode)
4'b0001: temp <= hex_a + hex_b; //加法操作
4'b0010: begin //减法操作
if(hex_a>=hex_b)
temp <= hex_a - hex_b;
else
temp <= hex_b - hex_a;
end
4'b0100: temp <= hex_a * hex_b; //乘法操作
4'b1000: temp <= hex_a / hex_b; //除法操作
default: temp <= 16'b0;
endcase
end
end
//将二进制数转换为十进制数
assign result[15:12] = temp/1000; //千位数。
assign result[11:8] = (temp%1000)/100; //百位数。
assign result[7:4] = (temp%100)/10; //十位数。
assign result[3:0] = temp%10; //各位数。
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### 4. 仿真结果
在此程序中的核心模块是datain,其它模块都是复用了前面几个程序中的模块,所以仿真时只对datain模块进行仿真,以提高仿真效率。仿真的激励文件为test_din.v，在激励文件中产生datain模块需要的addr_r、addr_c、keyout_en等信号，分别对“加”、“减”、“乘”、“除”进行仿真，从图11 4到图11 7分别给出了“加”、“减”、“乘”、“除”的仿真结果，下面对加法运算做详细解释。
由左至右观测图11-4中的光标，在最左边光标处，模拟用户按下了按键“4”；在第2个光标处，模拟用户按下了按键“3”，那么用户输入的加数为“43”，在dec_a中十位和各位分别用高四位和低四位保存，因此，dec_a为67。在第3个光标处，用户输入操作符“＋”。在第4个光标处，用户按下了按键“9”；在第5个光标处，用户按下了按键“8”，因此用户输入的被加数是“98”，和加数一样，被加数由dec_b的高四位和低四位保存，因此dec_b为152。在第6个光标处，Calculate运算出结果为141。在第7个光标处用户按键“=”键，则输出结果给dec_o；同样141在dec_o中为16进制，转换成10进制则为321，结果正确。
其它的运算的仿真与加法类似：图11 5的乘法为：8×20＝160；图11 6的减法为76－15＝61；图11 7的除法为84÷41＝4。
{{ :图11-4.png |图11-4 加法运算仿真波形}}
**图11-4 加法运算仿真波形**
{{ :图11-5.png |图11-5 乘法运算仿真波形}}
**图11-5 乘法运算仿真波形**
{{ :图11-6.png |图11-6 减法仿真波形}}
**图11-6 减法仿真波形**
{{ :图11-7.png |图11-7 除法仿真波形}}
**图11-7 除法仿真波形**
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### 5. 演示程序文件说明
|文件名|功能|类型、对应模块|
|calculator.v|主程序|顶层文件|
|datain.v|从键盘读取数据，进行计算，得到结果|...|
|calculate.v|进行四则运算|...|
|scan_clk.v|键盘扫描时钟|...|
|scan.vv|扫描键盘|...|
|data_2_disp.v|数码管译码|...|
|disp_scan.v|数码管扫描|...|
|test_din.v|测试程序|用于modelsim仿真，对datain.v进行仿真|
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### 6. 演示程序使用
演示设备要求：核心板，扩展板
演示步骤：把程序下载到开发系统上后，参照键盘分配图按下4*4键盘区的相应键，即可做整数四则运算，以及清零。按下的键值和预期的运算结果可在八个数码管上显示出来。核心板Reset按键为复位键。