FPGA编程入门（半加器，1位全加器和4位全加器的实现）

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文章目录

• 目录
• 一、Verilog编程入门
• • 1.1 门电路入门练习
  • • （1）与门
    • （2）或非门
    • （3）同或门
  • 1.2 组合电路入门练习
  • • （1）Declaring wires
    • （2）7458芯片
    • （3）7420 chip
  • 1.3 时序电路入门练习
  • • （1）D flip-flop (Dff)
    • （2）D flip-flops (Dff8)
    • （3）DFF with reset (Dff8r)
• 二、Logisim进行仿真设计
• • 2.1 认识全加器
  • • 2.1.1 半加器
    • 2.1.2 全加器
  • 2.2 Logisim完成一个1位全加器的设计并测试
  • • 2.2.1 先设计设计一个1位半加器电路
    • 2.2.2 在半加器电路基础上，实现一位全加器电路
• 三、基于Quartus进行实验并仿真
• • 3.1 输入原理图实现1位加法器
  • • 3.1.1 半加器原理图输入
    • （1）绘制过程实现
    • （2）仿真实现
    • （3）仿真结果
    • 3.1.2 全加器原理图输入
    • （1）将设计项目设置为可调用的元件
    • （2）绘制过程实现
    • （3）仿真实现
    • （4）仿真测试结果
• 四、Verilog编程实现1位加法器
• • 4.1 代码实现
  • 4.2 仿真实现
• 五、下载测试
• • 5.1 1位全加器测试
  • • （1）点击引脚配置
    • （2）配置引脚
    • （3）原理图
    • （4）代码下载
    • （5）测试结果
• 六、四位全加器（实验重点）
• • 6.1 四位全加器的原理图设计
  • • （1）原理图
    • （2）RTL电路图如下
    • （3）仿真测试
    • （4）仿真结果
  • 6.2 四位全加器的Verilog编程实现
  • • （1）创建文件：
    • （2）代码实现
    • （3）RTL电路图
    • （4）上板烧录
    • （5）测试结果（重点检验）
• 总结
• 参考

一、Verilog编程入门

1.1 门电路入门练习

（1）与门

本题要求使用 Verilog 语言描述一个模块，实现与门的作用。

从第 4 题开始，是用 Verilog 描述各种 “门”，这也就是 Verilog 硬件描述语言中，描述二次的由来。描述就是我们用 Verilog 的语法，通过写下几句代码来实现一个电路。从最简单的门到 CPU 都可以使用 HDL 描述。

题目给出的模块如下图，有三个 wire : a,b 以及 out。a，b 信号已经由模块的输入端口驱动，但图中黑色的部分中，wire out 还没有被任何信号驱动。本题要写一个 assign 语句，使 a,b 信号经过与门的输出驱动 wire out 信号。

显然，assign 语句的实现和前一题非常接近，只是增加了一个输入信号。和前一题不同的是，我们在这里强调了信号是被驱动（drive）的，被驱动的含义可以理解为，该信号的取值取决于另一个连接到它的信号的值，该信号的值随着另一个信号的值改变而改变。下图中模块的输入端口 input wire 被外部连接到模块的信号所驱动。assign 语句映射到具体的硬件上，就是产生了信号的驱动，由右值驱动左值。

说道 assign，一个 wire 信号不能被多个信号同时驱动（当一个信号说往东，另一个信号说往西，两个信号还要同时驱动我时，我到底该往哪？另一个方面，一个没有驱动者（driver）的信号的值会处于未定义的状态，好在综合器一般会免费给他安排一个，将其信号值驱动为 0.

代码：

module top_module( 
    input a, 
    input b, 
    output out );
   	assign out=a&b;

endmodule

结果：

（2）或非门

本题要求使用 Verilog 实现一个 NOR 门，注意这里其实是或非门，而不是更常见的异或门，或非门是或门的输出取反。

assign 语句将某个值赋予 wire 信号，这个 value 可以是常量，也可以是一个复杂的逻辑表达式，综合器会综合出相应的逻辑门实现。assign 语句代表的始终是连续赋值，因为当输入信号改变时，输出信号会重新“计算”。和一个逻辑门的工作方式相同，输入改变，输出对应改变。

代码：

module top_module( 
    input a, 
    input b, 
    output out );
    assign out=~(a|b);
endmodule

结果：

（3）同或门

XNor 的中文是什么，其实应该是同或门。

我们首先复习下数电，同或门 （XNor Gate） 是异或门 (Nor Gate) 的取反输出。异或门的输入输出可以概括为：（输入）相同（输出）为 0 ，不同为 1 。

代码：

module top_module( 
    input a, 
    input b, 
    output out );
    assign out = ~(a^b);
endmodule

结果：

1.2 组合电路入门练习

（1）Declaring wires

之前电路足够简单，我们能直接表示出输入输出信号的逻辑关系，但如果电路变得复杂，那么我们就需要一些中间信号来帮助我们简化描述电路的难度。

定义中间信号的语法格式为

wire foo ;

信号定义语句需要放置于模块的 body 中，就好比 C 语言中，你的中间临时变量需要定义在 main 函数函数体中。模块的 body 指的就是 module 和 endmodule 中间的部分。

这里建议先定义信号，再使用信号，就像 C 语言中一样。原则上，你可以在任何位置定义你的信号，使用前使用后都可以，正如之前的课程中说的那样，语句的顺序对于 Verilog 来说没有关系。但有些仿真工具需要你在使用信号之前定义信号，So，你就这么来吧。

实现下图中的模块。首先创建两个中间信号将与门和或门连接起来，信号的名字随你的便，但好的名字往往影响一个信号的一生，若干年后，你还能依稀记起当年定义这个信号的峥嵘岁月。

注意，与门的输出信号也就是或门的输入信号，所以你不需要再定义或门的输入信号。再提醒一下，信号只能被一个信号驱动，但能驱动多个信号。

按照下图中的逻辑关系，你的代码应该有 4 个 assign 语句，对应四个逻辑门，或者说模块。

代码：

`default_nettype none
module top_module(
    input a,
    input b,
    input c,
    input d,
    output out,
    output out_n   ); 
	wire	and_1 = a & b;
    wire	and_2 = c & d;
    wire	or_1  = and_1 | and_2;
    assign	out   = or_1;
    assign	out_n = ~or_1;
endmodule

结果：

（2）7458芯片

本题要实现个稍稍复杂的电路：数电芯片 7458 。它有 10 个输入信号，2 个输出信号。你可以选择对每个输出信号，使用一个 assign 语句，也可以先产生第一级逻辑门输出的 4 个中间信号。有时间的话，两种方式都可以尝试下。

代码：

module top_module ( 
    input p1a, p1b, p1c, p1d, p1e, p1f,
    output p1y,
    input p2a, p2b, p2c, p2d,
    output p2y );
    assign p1y = (p1a & p1b & p1c) | (p1d & p1e & p1f);
    assign p2y = (p2a & p2b) | (p2d & p2c);
endmodule

结果：

（3）7420 chip

7420 chip是拥有两组4输入的与非门芯片，本练习需要构造一个与7420 chip功能一样的电路，拥有8个输入与2个输出。

代码：

module top_module
    (
        input  p1a, p1b, p1c, p1d,
        output p1y,
        input  p2a, p2b, p2c, p2d,
        output p2y
    );

    assign p1y = ~(p1a & p1b & p1c & p1d);
    assign p2y = ~(p2a & p2b & p2c & p2d);

endmodule

结果：

1.3 时序电路入门练习

（1）D flip-flop (Dff)

接下来的题目是属于触发器，锁存器的专题。我们会从用 Verilog 实现基础 D 触发器开始，学习触发器这一数字电路中最重要的电路之一。

D 触发器是一个电路，存储 1bit 数据，并定期地根据触发器的输入(d)更新这 1 bit 数据，更新通常发生在时钟上升沿(clk)。存储的数据会通过输出管脚(q)输出。

t1时刻: d -> 0

t2时刻: clk->1 上升沿到来,触发器存储的数据变成 0，输出 q 保持为存储的值：0，直到下一个时钟上升沿到来。

t3时刻: d -> 1（d:我变了），q 仍保持 0 不动摇（时钟沿还没来呢）

t4时刻: clk->1 上升沿到来，q->1(q：时钟沿来了，我该变身了)

绝大多数时候，我们不会在 Verilog 代码中显示例化一个触发器（作者没这么做过，但应该是可以做的），我们在时钟敏感的 always 块中的语句一般都会被综合工具转换为相应的触发器。

D 触发器可以认为是一个触发器和一段最简单的组合逻辑块（blob :想表达逻辑块的时候用我，别用 block）的组合。其中组合逻辑块仅仅是一段 wire。（q 直接输出了触发器的存储值）

代码：

module top_module (
    input clk,    // Clocks are used in sequential circuits
    input d,
    output reg q );//

    // Use a clocked always block
    //   copy d to q at every positive edge of clk
    //   Clocked always blocks should use non-blocking assignments
    always@(posedge clk) begin
        q <= d;
    end
endmodule

结果：

在每个时钟上升沿，输出 q 的值变为输入 d 的值。我们在 always 块中的语句就会被综合工具转换为触发器。这里使用 clk，q，d 对应于触发器的三个端口，反应了转换的对应关系。

（2）D flip-flops (Dff8)

实现 8 个 D 触发器，听上去好像很累的样子，实则 Verilog 语言的抽象帮助我们省去不少麻烦。输入 a，b 的位宽变为 8 位，但 always 块中的语句与上一题完全相同。

综合工具根据位宽，综合出了 8 个 D 触发器。一般没有八位触发器的说法。这里反映了综合工具能分析代码，生成相应的触发器电路，其实综合器还能将复杂得多的语句转为相应的电路。
代码：

module top_module (
    input clk,
    input [7:0] d,
    output [7:0] q
);
    always@(posedge clk) begin
    	q <= d;
    end
endmodule

结果：

（3）DFF with reset (Dff8r)

在上题的 8 个 D 触发器基础上，这题我们要给触发器配上同步复位端口。

什么同步复位？当时钟上升沿到来时，如果同步复位端有效（本题中复位高电平有效，即 reset），那么任凭你触发器此前输出或者输入的是 0，是 1，输出一律变为 0。

复位电路对于那些经常需要恢复到初始状态的电路是必要的，复位相较于断电重新加载程序恢复到初始状态的速度要快得多。但也有一些电路则不需要复位设计。（作者也是有所耳闻那些不需要复位的电路，平常自己还是会加上复位电路）

代码：

module top_module (
input clk,
input reset,
input [7:0] d,
output [7:0] q
);
always@(posedge clk) begin
q <= (~{8{reset}} & d);
end
endmodule

从语法的角度来说，reset 实现就是加一个 if 语句判断 reset 是否有效，有效就将输出 q 置为 0 。

但从电路的角度来说，电路的角度往往更加重要，是使用一个带有复位端的 D 触发器 fdr，另一种 D 触发器单元。

结果：

二、Logisim进行仿真设计

2.1 认识全加器

2.1.1 半加器

半加器是指对输入的两个一位二进制数相加（A与B），输出一个结果位（SUM）和进位（C），没有进位的输入加法器电路，是一个实现一位二进制数的加法电路。

真值表

逻辑表达式
根据上述的真值表，当A和B相同时SUM为0，否则为1；逻辑关系属于异或；当A和B同时为1时，C等于1，其余都为零，逻辑关系为与。
所以我们可以得到如下的逻辑表达式：

逻辑电路图

2.1.2 全加器

全加器是指对输入的两个二进制数相加（A与B）同时会输入一个低位传来的进位（Ci-1），得到和数（SUM）和进位（Ci）；一位全加器可以处理低位进位，并输出本位加法进位。多个一位全加器进行级联可以得到多位全加器。常用二进制四位全加器74LS283。

真值表

逻辑表达式
由全加器的定义理解我们可以知道当Ai和Bi异或后再与Ci-1进行异或得到SUMi，结合真值表，我们可以知道当Ai、Bi、Ci-1只要有两个以上的1是进位Ci就等于1；所以只需要每两变量求与，结果再求或就可以满足要求。由此我们可以得到最常用的逻辑表达式：

逻辑电路图
根据逻辑表达式绘制两种逻辑电路图如下：

2.2 Logisim完成一个1位全加器的设计并测试

2.2.1 先设计设计一个1位半加器电路

采用异或门和与门结合设计一个简单的半加器：

2.2.2 在半加器电路基础上，实现一位全加器电路

在设计全加器时，因为会有三个数进行运算，因此可以简化为先进行两个输入数的运算，再进行其和与进位数的运算，即两次1bit运算。同时，在计算结果时，除了结果数，还要提出进位数供下一位计算。因此，在Logisim中，我们可以采用两个半加器相结合的方式设计一个全加器，参考如下：

三、基于Quartus进行实验并仿真

3.1 输入原理图实现1位加法器

创建工程项目过程：
启动 Quartus软件，选择File->New Project Wizard

填写工程名称：

选择第一个，直接Next

这个界面不用管，直接next

根据使用的FPGA，进行选择芯片系列及类型

直接next

完成工程创建，点击finish

3.1.1 半加器原理图输入

（1）绘制过程实现

首先选择File->New，进入后选择Block Diagram/Schematic File

选择元件

添加输入输出，完成效果：

保存文件，并编译
通过tool->Netlist Viewers->RTL Viewer,查看电路图

（2）仿真实现

创建一个向量波形文件，选择菜单项 File→New->VWF

出现这个页面后，双击左侧空白处

出现这个弹窗，点击Node Finder

然后添加进来，点击ok

最后出现波形：

随便编辑一下信号

保存文件并启动功能仿真，出现错误，别慌，进行仿真配置，选择tool->launch simulation library complier

（3）仿真结果

重新测试仿真：

功能仿真结果：

时序仿真结果：

通过仿真结果，可以发现得到的结果与真值表中是相吻合的。

3.1.2 全加器原理图输入

利用半加器元件实现全加器

（1）将设计项目设置为可调用的元件

在打开半加器原理图文件half_adder.bdf的情况下，选择菜中File中的Create/Update→CreateSymbolFilesforCurrentFile项，即可将当前文件h_adder.bdf变成一个元件符号存盘，以待在高层次设计中调用

（2）绘制过程实现

首先选择File->New，进入后选择Block Diagram/Schematic File

选择元件

添加输入输出，完成效果

保存文件，并编译
通过tool->Netlist Viewers->RTL Viewer,查看电路图

（3）仿真实现

创建一个向量波形文件，选择菜单项 File→New->VWF

跟半加器同理添加信号，然后编辑信号

保存文件并启动功能仿真，出现错误，进行仿真配置，选择tool->launch simulation library complier（同理半加器）

（4）仿真测试结果

功能仿真结果

时序仿真结果

通过仿真结果，可以发现得到的结果与真值表中是相吻合的。

四、Verilog编程实现1位加法器

创建Verilog文件

4.1 代码实现

module full_adder(
	//输入信号，ain表示被加数，bin表示加数，cin表示低位向高位的进位
	input ain,bin,cin,
	//输出信号,cout表示向高位的进位，sum表示本位的相加和
	output reg cout,sum

);
reg s1,s2,s3;
always @(ain or bin or cin) begin
	sum=(ain^bin)^cin;//本位和输出表达式
	s1=ain&cin;
	s2=bin&cin;
	s3=ain&bin;
	cout=(s1|s2)|s3;//高位进位输出表达式
end
endmodule

保存并编译文件
通过tool->Netlist Viewers->RTL Viewer,查看电路图

4.2 仿真实现

创建一个向量波形文件，选择菜单项 File→New->VWF

同理添加信号并编辑信号

功能仿真结果

时序仿真结果

通过仿真结果，可以发现得到的结果与真值表中是相吻合的。

五、下载测试

5.1 1位全加器测试

（1）点击引脚配置

（2）配置引脚

使用3个SW作为输入信号，2个LED作为输出信号

（3）原理图

（4）代码下载

代码下载到FPGA板子上

（5）测试结果

a为，b为1，输入的cin为1，则s=1，进位cout=1，其他测试也通过

六、四位全加器（实验重点）

6.1 四位全加器的原理图设计

同理将一位全加器设置为可调用的元件，然后设计出原理图

（1）原理图

（2）RTL电路图如下

（3）仿真测试

设置信号：

（4）仿真结果

功能仿真结果

时序仿真结果

6.2 四位全加器的Verilog编程实现

（1）创建文件：

（2）代码实现

//数据流描述4位全加器
module four_adder1(
    	input[3:0] a,b,
    	output[3:0] s,
    	output cout,
    	input cin
);

assign{cout,s} = a+b+cin;
endmodule

（3）RTL电路图

编译代码得到的RTL电路图

（4）上板烧录

引脚选择

引脚在板子上的位置对应关系：

实物图：

（5）测试结果（重点检验）

此次测试的板子LED1电压不稳定，始终保持亮状态，测试中我们忽略

（1）b3为1，其余为0，结果为1 0 0 0 ，SW7为1，LED4亮，无进位，测试成功

（2）a3和b3为1，其余为0，结果为1 0 0 0 0，SW3和SW7为1，LED0亮，有进位，cout=1，测试成功

（3）b2为1，其余为0，结果为0 1 0 0，SW6为1，LED3亮，无进位，测试成功

结果为跟其真值表相吻合。nice!

总结

这次实验内容很多，基本上是全新的知识点（对于大二没有学过模电数电的我），从软件安装到环境配置过程中踩了很多雷，基本上每个坑都花了几十分钟上网寻找解决方案，但是逐渐摸索的感觉真的很有自豪感，尤其是自己懂得半加器、全加器和四位全加器的原理之后，画电路原理图很是得心应手，但是在组件接线的时候一定要细心，稍有不慎就有一个点漏接了（我就是因为线没接上，一直以为板子有问题，调试了半个钟）。同样这次实验也学会了很多，初步了解了Verilog编程的思想，总体来说，遇到困难和bug不要畏惧，学会使用搜索工具，总能在互联网上找到大佬给出的解决方法，在这里非常感谢大佬给出的各种建议和帮助。

参考

详细讲解半加器、全加器、四位全加器，并使用FPGA实现半加器、全加器
利用Logisim设计半加器、全加器及补码电路

FPGA——1位全加器的实现

Verilog基础编程练习

使用 Quartus-ll 两种方法仿真全加器并烧录到 Intel DE2-115 开发板中验证

一位全加器及四位全加器————FPGA

【Verilog设计—仿真实验】四位加法器的实现

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