音乐计算器的设计与实现 实验报告

EDA实验一

实验报告

一、实验设计思路

1、键盘输入状态机设计

控制键盘输入的电路分为5个模块：

(1)扫描信号电路

其状态转换图如下：

状态根据扫描频率自动跳转，在S0~S3状态下分别输出0001、1000、0100、0010，该电路的输出用于数码管的选通（接位选线）和键盘信号的检测（接H）。

(2)键值信号电路

该电路的功能是输出按键对应的值，按键按下时，就跳到键值相应的状态，并输出相应的值。

(3)按键信号电路

电路的状态转换图如下：

当数字按键被按下时，状态跳转到S1并输出高电平，如果不长按键，等一小段时间后，状态会自动回到S0并输出低电平。如果长按键，那么状态会停留在S1处，这样就不会重复地输出按键信号了。

(4)运算符号电路

状态转换图如下：

该电路的功能是记录运算符号，按下符号按键就跳转到相应的状态，S0为初始状态，输出为000，当按下数字键时，任何状态都会跳转回S0；S1、S2、S3、S4和S5分别为加、减、与、或和比较运算对应的状态，输出分别为001、010、011、100、101；S6为按下等号键会跳转到的状态，输出为110。

(5)控制电路

该电路的功能是选择移位寄存器、得到清零信号。当第一次输出数字是，control选通其中一个移位寄存器；当按下运算符号时，电路跳转到下一个状态，control选通另外一个移位寄存器。清零信号在按下等号键（正常规则下）或在得到运算结果后再次输入时，将移位寄存器的数据和运算符号等清空。

2、ALU运算逻辑

ALU完成高8位和低8位运算的状态转换图，实际上是Process模块的状态转换图。在设计里，ALU只要求完成8位二进制数的运算，其进位、借位的处理由Process模块执行。

状态转换图如下（Process模块程序中的S6、S7是无用的状态，这里不画出）：

(1)状态含义及跳转条件：

S0为初始状态，按下数字键或等号键时，停留在S0；按下运算符号键（下称符号键）时，跳转到S1。在S1状态下，按下数字键或符号键时，停留在S1，并取最后输入的运算符号；按下等号键时，跳转到S2。在S2状态下，按下等号键停留在S2，按下数字键跳转到S1，按下符号键跳转到S5，S5是一个记录运算结果用的状态，在S5会立刻跳转到S3。S3和S4的含义和跳转条件与S1、S2类似，是进行继续运算用的状态。当Reset键被按下时，状态S1~S4都会跳转回状态S0。

(2)各状态下的数据输出：

S1状态下，输出给ALU模块的数是两个数（记为A、B）的低8位，carry_in根据运算符号设置，加法为0，减法为1。S2状态下，输出给ALU模块的数是A、B的高8位，carry_in

则取S1状态时ALU的carry_out。

对于状态S3，输出给ALU模块的数变为记录了的运算结果的低8位和新键入的数的低8位，S4则是两个数的高8位，它们的carry_in的设置与S1、S2类似。

(3)ALU的进位、借位设置：

ALU的进位、借位根据运算符号和前一步的运算结果的正负来判断，运算结果的正负用D1记录。D1的初值为0，当运算结果为非负数时，D1为0，当运算结果为负数时，D1为1。设计的ALU模块是利用补码进行运算的。

进行加法运算时，若D1为0，则运算结果的进位和正负判断作通常处理；若D1为1，则对前一步的运算结果取补码再运算，当新的运算结果的符号位为1时，carry_out为1，且carry_in 为1时，运算时将加上二进制数11111111，这其实是向高位借位（符号位为1，说明运算结果为负，所以要借位）。当高8位运算结果的符号位为1时，说明运算结果为负数。

进行减法运算时，若D1为0，则借位、结果正负的判断与进行加法运算且D1为1的情况类似，只是carry_out和carry_in的0、1值调转过来。若D1为1，则将补码相加后，在结果不为0的情况下，若符号位为0或者符号位为1但运算结果为0时，carry_out为0，其他情况carry_out为1。符号位为1、运算结果为0是指两个负数的低8位刚好加起来为-256的情况，这个时候应该是有借位的。

3、显示模块的控制逻辑

显示的功能由Process模块和Seg模块共同实现。其中，Seg模块的功能主要是将运算结果转换为十进制数，并按顺序显示该数的高位、低位。而Process模块的功能则是根据按键的情况选择要显示的数。

Process模块的状态转换图已给出，在S0状态下，显示输入的数；在S1状态下，在没有输入新数的情况下，显示原来输入的数，输入后显示新输入的数；在S2状态下，显示运算结果。对于S3、S4，显示的输出类似。

对于运算结果的显示，需要根据运算符号和运算结果的正负进行判断。比如，当前一步的结果为非负数，且进行加法运算时，直接显示运算结果；当前一步的结果为非负数，且进行减法运算时，若carry_out为1，则低8位的显示要对运算结果取补（得到原码），若取补后低8位为0，则高8位的显示要取反加一，否则直接取反。

4、特殊情况的处理

(1)输入超过3位：

在移位寄存器的D触发器中，设置了参数count，输入一次数，count加一，输入三次后，count变为3，此时触发器的输出不再变化，再输入数也不会被记入寄存器；

(2)长按键：

长按键的处理涉及到Clk_test模块的设计，在该模块中也设置了count参数，具体代码如下：always @ (posedge clks)

begin

if (H[3:0]==4'b1000)

if (V[3:0]==0)

count<=count+3'b001;

else

count<=0;