基于FPGA層次化設(shè)計(jì)構(gòu)成全加器

在上一節(jié)半加器中，介紹了全加器可看作兩個(gè)半加器和一個(gè)或門組成。

首先半加器是A+B構(gòu)成了{(lán)C，S}。由于全加器多了一個(gè)低位的進(jìn)位，就是將{C,S}再加上Ci-1。此時(shí)再使用一個(gè)半加器將S與Ci-1相加，結(jié)果的低位就是全加器的低位Si。全加器的高位Ci來自于兩個(gè)半加器的高位，如果有一個(gè)高位為1，結(jié)果就為1。

設(shè)計(jì)規(guī)劃

本例中將采用3個(gè)按鍵作為輸入in1,in2和進(jìn)位信號(hào)cin，并采用兩個(gè)LED燈作為信號(hào)輸出count和sum。根據(jù)上一節(jié)中全加器真值表，可以畫出波形圖：

編寫代碼

module full_adder
(
input wire in1 , 
input wire in2 , 
input wire cin , 
output wire sum , 
output wire cout 
);


 //wire define
 wire h0_sum ;
 wire h0_cout;
 wire h1_cout;


 //------------------------half_adder_inst0------------------------
 half_adder half_adder_inst0
 (
 .in1 (in1 ), 
 .in2 (in2 ), 
 .sum (h0_sum ), 
 .cout (h0_cout) 
 );


 //------------------------half_adder_inst1------------------------
 half_adder half_adder_inst1
 (
 .in1 (h0_sum ), 
 .in2 (cin ), 
 .sum (sum ), 
 .cout (h1_cout) 
 );


 assign cout = h0_cout|h1_cout;
 endmodule

還記得FPGA從入門到精通（一）中的移位寄存器的實(shí)例化練習(xí)嗎？以module模塊名（輸入，輸出）開頭，以endmodule結(jié)尾。

上一節(jié)中已經(jīng)封裝好了half_adder函數(shù)，內(nèi)部的邏輯就不用再次寫了，只需要將外部端口和full_adder的端口對應(yīng)好就可以直接調(diào)用。這就是verilog的方便之處，否則完成這個(gè)程序，需要將半加器的代碼寫兩次。

再上面的全加器結(jié)構(gòu)圖中可以看到端口的對應(yīng)，其中除了全加器的5個(gè)端口外，還需要引入三根連線。需要定義wire變量h0_count，h1_count和h0_sum。

下面完成兩次實(shí)例化，上一節(jié)中的半加器有in1,in2,cout,sum四個(gè)端口，第一個(gè)半加器分別對應(yīng)著全加器的輸入端口in1,in2，h0_count,h0_sum，第二個(gè)半加器分別對應(yīng)著上一個(gè)半加器的結(jié)果的低位h0_sum和低位進(jìn)位cin,h1_count1,全加器的結(jié)果的低位sum。全加器的結(jié)果的高位count是h0_count和h1_count的或。

現(xiàn)在將.v文件綜合一定會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)檫€沒有將half_adder模塊添加進(jìn)來。所以調(diào)用時(shí)找不到半加器的函數(shù)。因此需要將half_adder.v復(fù)制到文件夾中并添加到Files中：

看RTL視圖，兩個(gè)half_adder模塊是可以展開的：

編寫testbench

`timescale 1ns/1ns
module tb_full_adder();
reg in1;
reg in2;
reg cin;
wire sum ;
wire cout;


 initial begin
 in1 <= 1'b0;
 in2 <= 1'b0;
 cin <= 1'b0;
 end


 always #10 in1 <= {$random} % 2;
 always #10 in2 <= {$random} % 2;
 always #10 cin <= {$random} % 2;


 //------------------------------------------------------------
 initial begin
 $timeformat(-9, 0, "ns", 6);
 $monitor("@time %t:in1=%b in2=%b cin=%b sum=%b cout=%b",$time,in1,in2,cin,sum,cout);
 end
 //------------------------------------------------------------


 //---------------full_adder_inst------------------
 full_adder full_adder_inst(
 .in1 (in1), 
 .in2 (in2), 
 .cin (cin), 
 .sum (sum), 
 .cout (cout) 
 );


 endmodule

這里testbench依然是先聲明變量，其中輸入是reg類型，輸出是wire類型。初始化令變量都為0，延時(shí)10ns給輸入隨機(jī)賦值0或1，然后實(shí)例化將tb_full_adder模塊和full_adder模塊端口進(jìn)行連接，就可以觀察波形。

需要注意的是?。?！在本例中引入了打印模塊，可以直觀看到隨機(jī)輸入對應(yīng)輸出的真值表。

$timeformat(units_number, precision_number, suffix_string, minimum_field_wdith);

timefomat的語法：

第一個(gè)參數(shù)units_number表示打印的時(shí)間值的單位，取0 到-15 之間的整數(shù)值：0 表示秒，-3 表示毫秒，-6 表示微秒，-9 表示納秒， -12 表示皮秒， -15 表示飛秒

第二個(gè)參數(shù)precision_number表示打印時(shí)間值時(shí)，小數(shù)點(diǎn)后保留的位數(shù)。

第三個(gè)參數(shù)suffix_string在時(shí)間值后面打印時(shí)間單位。其默認(rèn)值為空字符串，如果用ns作為單位可以打印ns。

第四個(gè)參數(shù)MinFieldWidth 是時(shí)間值與單位字符串的最小長度，不足這個(gè)長度，則在字符串之前補(bǔ)空格。其默認(rèn)值為20。

monitor的語法：

$monitor (“format_string”, parameter1, parameter2, … );

當(dāng)在monitor調(diào)用時(shí)對多個(gè)變量進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)monitor監(jiān)控的變量中任何一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)打印出當(dāng)前仿真時(shí)刻的值；如果$monitor監(jiān)控的所有變量在某一時(shí)刻均不改變，將不會(huì)打印任何信息。本例中會(huì)打印出時(shí)間和5個(gè)端口值。

對比波形

當(dāng)端口多了之后，看波形相對不直觀了，這里可以通過觀察我們剛才打印的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。通過View-transcript可以觀察transcript窗口：

表格的方式相對直觀多了，且輸出和預(yù)期一致。

分配管腳

全編譯后分配引腳，這里的按鍵和LED燈管腳我們已經(jīng)非常熟悉了。在location這一欄分配引腳，不要和fitterlocation弄混了。

現(xiàn)在cin,in1,in2對應(yīng)S0，S1，S2，cout對應(yīng)LED0，sum對應(yīng)LED1。那么cin,in1,in2按下去表示為0，點(diǎn)亮的LED表示對應(yīng)為輸出為低電平。都不按下去時(shí)，應(yīng)該都熄滅，按下去一個(gè)時(shí)，LED0亮，按下兩個(gè)時(shí)，LED1亮，按下三個(gè)時(shí)，兩個(gè)LED同時(shí)亮。

全編譯后上板驗(yàn)證

一個(gè)都不按下時(shí)，都不亮

按下一個(gè)時(shí)，LED0亮

按下兩個(gè)時(shí)，LED1亮

全部按下時(shí)，兩個(gè)都亮

組合邏輯電路的實(shí)例就結(jié)束了，后面是簡單的時(shí)序邏輯電路實(shí)例。