【精品博文】FPGA的计算器设计——逐位输入与输出控制模块
之前写了两篇关于计算器的模块，一个是键盘扫描，一个是数码管消零，今天我总结一下第三个模块，也就是标题写的逐位输入与输出控制模块。我们平时使用过计算器都应该了解，我们每按一个键，显示屏上就多一个数，并且新输入的键放在了最低位，以前输入的数依次左移，在输入操作符的时候，显示的数保持不变，输入第二个操作数的时候，第一个操作数被清空，显示屏显示第二个操作数。
相信很多人都会开始觉得这不很简单吗？不就是移位吗？像流水灯一样。没错，但是如果你觉得它和流水灯一样简单，你就大错特错了。这个模块的难点不在于移位操作，而在于它的时序关系。当然这个实验还不涉及到时序约束的问题，只是你怎么保证，你按下一个键，数码管就不多不少，不迟不早的显示你按下的键。这才是问题的关键所在。
我记得，我第一次调试的时候，按下第三个键，才能显示第一个按下的数字，由此可见，我当时的输出是比我的输入慢了2拍的，甚至有人估计会遇到按一个键，满屏都是这个键所代表的数字。这些都是什么原因呢？
首先回顾一下，我在按键扫描中做了一件事，那就是每确认有键按下，就输出一个flag，这个flag的作用就是避免按一次键，出现满屏相同的数字，因为我们按键按下的时间一般是20ms以上，我用来驱动这个控制电路的时钟和按键扫描的时钟都是用的1khz，就是为了保证flag传过来的脉冲宽度，如果没有这个flag，控制电路检测到按键按下的次数就是20+次了。而这个flag，我是检测的按键弹起的瞬间，至于为什么，我在前面键盘扫描的时候已经解释过了，不了解的可以回头看一下。
http://blog.chinaaet.com/yocan/p/5100018107
具体怎么实现，我们还是先来贴代码吧。
这是整个控制部分的代码，代码量不是很多，主要的核心部分是一个两段式的状态机。我定义了两个变量num_reg1和num_reg2用来保存两个操作数，opcode_reg用来保存操作符，在一个每个时钟下只有一个操作数能通过num_out输出到数码管。需要注意的是，我们这里输入的操作数是暂时以BCD码的形式保存，在进行计算时，还需要将BCD转换成二进制或十进制数进行运算。但是数码管是以BCD的形式接收数据和显示的，所以不用考虑BCD转二进制的问题（当然你也可以令数码管以二进制的形式接收数据并显示，我在数字钟的实验中就是以二进制的形式来接收数据和显示的，这个需要和其他模块进行相应的配合，看怎样比较合适就进行怎样的设计）。
在状态机中，S0状态下，接收第一个数据，通过检测接收到的数据是0-9还是a-d，来判断第一个操作数是否输入完毕，在输入操作数的时候，通过循环移位的方式，来把输入的操作数保存在num_reg1寄存器中，至于操作数的输出，我是通过组合逻辑的方式，把num_reg1，传递给了num_out。
至于为什么用组合逻辑呢？如果你用时序逻辑，在num_reg1 <= {num_reg1[19:0],key_value};之后，再num_out <= num_reg1的话，会是一种什么现象？由于这里，我们给了一个按键按下的flag限制，所以在第一个按键按下的时候，num_reg1的低4位会得到当前按下的键值，但是由于是时序逻辑和非阻塞赋值，所以赋给num_out的值此时还是为0。当下一个按键到来的时候，num_out的值才会被赋予第一个按键的值。所以这里就会慢一拍了，加上前面在矩阵键盘扫描里慢下的那一拍，就是为什么我第一次调试的时候慢了两拍的原因。（像这里需要与按键配合调试，不太好写testbench的情况，我推荐大家用signaltap或者chipscope来调试）
在S0状态，如果检测到a-d的键按下，说明输入的是操作符，我们先把操作符保存在opcode_reg中，而不是马上输出，先让状态跳转到S1。因为可能存在误输操作符的情况，在S1状态如果继续输入操作符，那么我们就更新操作符寄存器。如果是输入的0-9，那么代表着第二个操作数开始输入，我们类似对操作数1的处理，把第二个操作数保存起来，直到检测到等号，跳转到S3状态，S3状态直接把计算结果赋给第一个操作数。很多人也许会惊讶，为什么要这样做？我来解释一下这样做有几点好处：
1，输出的处理变得简单，代码中有红色下划线的地方就是决定输出哪个信号，一句话就搞定；
2，可以实现连续运算，如果得到计算结果后，我继续输入的是操作符，那么状态跳回S1，可以继续计算；如果继续输入的是操作数，则表示用户自己放弃连续运算，状态调回S0，重新开始新一轮计算（具体请看S3）。
总结一下，这段代码有几点比较好的地方：
1，状态机状态比较少，各状态之间关系简单明了，我相信很多人写计算器第一反应估计会罗列出4,5种状态，先要输入第一个操作数，然后操作符，然后第二个操作数，然后等号，可能还有一个初始态。这样当然也能实现，只是状态越多，状态之间的跳变就会越复杂。
2，输入输出关系简单明了，我曾经也纠结过怎样建立num_out和各个操作数以及运算结果之间的联系，目前这种方式，是我能想到的最简单有效的方式了，希望能给需要的人一点帮助。
计算器模块还剩最后一个模块了，就是计算以及BCD和二进制之间的转码了，这个控制模块只是实现了最基础的功能，就是正整数的输入，如果要实现负数和小数的运算，这个模块还需要做很大的改动，有兴趣的可以自己思考一下，我会在写下一个模块的时候上传整个工程的代码。小数部分我也只是实现了定点小数而已，浮点小数好像真的挺难的，最近培训，每天安排都很满，继续优化计算器了。这周在做一个IIC控制EEPROM的读写，等把计算器写完了就开始写IIC。