alex9ufo 聰明人求知心切: Verilog應用範例 : 二進制轉BCD碼適用於DE2-115 (DE2-70)

2020年2月29日星期六

Verilog應用範例 : 二進制轉BCD碼適用於DE2-115 (DE2-70)

Verilog應用範例 : 二進制轉BCD碼

在項目設計中，經常需要顯示一些數值，比如溫濕度，時間等等。在數字電路中數據都是用二進制的形式存儲，要想顯示就需要進行轉換，對於一個兩位的數值，對10取除可以得到其十位的數值，對10取余可以得到個位的數值。對於Verilog來說它的標準是支持除法和取余運算的，綜合器也會有IP可以進行除法運算。但是這樣未免會耗費太多資源，使用移位加3算法就可以實現二進制到BCD碼之間的轉換。

BCD碼（Binary-Coded Decimal‎）亦稱二進碼十進數或二-十進制代碼。用4位二進制數來表示1位十進制數中的0~9這10個數碼。

移位加3算法簡單來說就是，有多少位二進制說，就進行多少次移位，以八位的二進制為例，其數值最高可為三位十進制數，進行如下表左移，在移位的過程中，如果移位出的數值大於4，則將改為的數值加3後再進行移位。

這裏為什麽大於四，BCD碼是四位二進制數表示一個十進制數的一位，如果這以為大於4，比如5，4’b0101，下一次移位後變成了4’b1010，BCD碼中是沒有4’b1010的，所以要加6，向高位進位。這裏就是移位後加6和移位前加3，兩種方法修正，我這裏選擇了移位前加3。（4’b0011左移後也是4’b0110，移位前和移位後都是一樣的對BCD碼的位數進行修正）。

為什麽用左移的方法呢？這是因為二進制數和十進制數之間的位權的關系。所以二進數和十進制數之間的轉化是乘以2，也就是左移一位。轉換公式大概就是這個樣子。

代碼實現起來不是很復雜，在網上搜索到有些代碼使用純組合邏輯實現的，用了一個for循環，我個人認為這種寫法不是很好，所以自己用狀態機寫了一個。模塊設計如下，tran_en是轉換使能信號，可以使電平使能也可以是脈沖使能，作為脈沖使能使用的時候，需要在數據來臨之後的一個時鐘周期給出使能（我的模塊是這樣的特點），電平使能有效時，需要18個時鐘周期完成轉換，輸入二進制位16bit，輸出為四組千百十個位。轉換完成後輸出一個轉換完成標誌tran_done。

內部的時序我采用了三段式狀態機來完成。IDLE狀態接收到使能信號，調到移位狀態，經過16次移位。在shift_cnt為17時（這裏是因為我狀態機的原理所以shift_cnt會計數到17，但移位次數為16），數據轉換完成。跳到DONE狀態，輸出轉換完成標誌。

采用組合邏輯來實現，移位後的數據值的判斷，大於4加3後再進行移位。最後將轉換完成後的結果輸出。

代碼如下：

1 `timescale 1ns/1ps

2 // *********************************************************************************

3 // Project Name :

4 // Author : NingHeChuan

5 // Email : ninghechuan@foxmail.com

6 // Blogs : http://www.cnblogs.com/ninghechuan/

7 // File Name : Bin_BCD.v

8 // Module Name :

9 // Called By :

10 // Abstract :

11 //

14 //

15 // *********************************************************************************

16 // Modification History:

17 // Date By Version Change Description

18 // -----------------------------------------------------------------------

19 // 2018/8/12 NingHeChuan 1.0 Original

20 //

21 // *********************************************************************************

23 module Bin_BCD

24 #(

25 parameter DATA_WIDTH = 16,

26 parameter SHIFT_WIDTH = 5,

27 parameter SHIFT_DEPTH = 16

29 )

30 (

31 input clk,

32 input rst_n,

33 input tran_en,

34 input [DATA_WIDTH - 1:0] data_in,

35 output reg tran_done,

36 output [3:0] thou_data, //千位

37 output [3:0] hund_data, //百位

38 output [3:0] tens_data, //十位

39 output [3:0] unit_data //個位

41 );

42 //-------------------------------------------------------

43 localparam IDLE = 3‘b001;

44 localparam SHIFT = 3‘b010;

45 localparam DONE = 3‘b100;

47 //-------------------------------------------------------

48 reg [2:0] pre_state;

49 reg [2:0] next_state;

50 //

51 reg [SHIFT_DEPTH-1:0] shift_cnt;

52 //

53 reg [DATA_WIDTH:0] data_reg;

54 reg [3:0] thou_reg;

55 reg [3:0] hund_reg;

56 reg [3:0] tens_reg;

57 reg [3:0] unit_reg;

58 reg [3:0] thou_out;

59 reg [3:0] hund_out;

60 reg [3:0] tens_out;

61 reg [3:0] unit_out;

62 wire [3:0] thou_tmp;

63 wire [3:0] hund_tmp;

64 wire [3:0] tens_tmp;

65 wire [3:0] unit_tmp;

67 //-------------------------------------------------------

68 //FSM step1

69 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

70 if(rst_n == 1‘b0)begin

71 pre_state <= IDLE;

72 end

73 else begin

74 pre_state <= next_state;

75 end

76 end

78 //FSM step2

79 always @(*)begin

80 case(pre_state)

81 IDLE:begin

82 if(tran_en == 1‘b1)

83 next_state = SHIFT;

84 else

85 next_state = IDLE;

86 end

87 SHIFT:begin

88 if(shift_cnt == SHIFT_DEPTH + 1)

89 next_state = DONE;

90 else

91 next_state = SHIFT;

92 end

93 DONE:begin

94 next_state = IDLE;

95 end

96 default:next_state = IDLE;

97 endcase

98 end

100 //FSM step3

101 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

102 if(rst_n == 1‘b0)begin

103 thou_reg <= 4‘b0;

104 hund_reg <= 4‘b0;

105 tens_reg <= 4‘b0;

106 unit_reg <= 4‘b0;

107 tran_done <= 1‘b0;

108 shift_cnt <= ‘d0;

109 data_reg <= ‘d0;

110 end

111 else begin

112 case(next_state)

113 IDLE:begin

114 thou_reg <= 4‘b0;

115 hund_reg <= 4‘b0;

116 tens_reg <= 4‘b0;

117 unit_reg <= 4‘b0;

118 tran_done <= 1‘b0;

119 shift_cnt <= ‘d0;

120 data_reg <= data_in;

121 end

122 SHIFT:begin

123 if(shift_cnt == SHIFT_DEPTH + 1)

124 shift_cnt <= ‘d0;

125 else begin

126 shift_cnt <= shift_cnt + 1‘b1;

127 data_reg <= data_reg << 1;

128 unit_reg <= {unit_tmp[2:0], data_reg[16]};

129 tens_reg <= {tens_tmp[2:0], unit_tmp[3]};

130 hund_reg <= {hund_tmp[2:0], tens_tmp[3]};

131 thou_reg <= {thou_tmp[2:0], hund_tmp[3]};

132 end

133 end

134 DONE:begin

135 tran_done <= 1‘b1;

136 end

137 default:begin

138 thou_reg <= thou_reg;

139 hund_reg <= hund_reg;

140 tens_reg <= tens_reg;

141 unit_reg <= unit_reg;

142 tran_done <= tran_done;

143 shift_cnt <= shift_cnt;

144 end

145 endcase

146 end

147 end

148 //-------------------------------------------------------

149 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

150 if(rst_n == 1‘b0)begin

151 thou_out <= ‘d0;

152 hund_out <= ‘d0;

153 tens_out <= ‘d0;

154 unit_out <= ‘d0;

155 end

156 else if(tran_done == 1‘b1)begin

157 thou_out <= thou_reg;

158 hund_out <= hund_reg;

159 tens_out <= tens_reg;

160 unit_out <= unit_reg;

161 end

162 else begin

163 thou_out <= thou_out;

164 hund_out <= hund_out;

165 tens_out <= tens_out;

166 unit_out <= unit_out;

167 end

168 end

169

170

171 //-------------------------------------------------------

172 assign thou_tmp = (thou_reg > 4‘d4)? (thou_reg + 2‘d3) : thou_reg;

173 assign hund_tmp = (hund_reg > 4‘d4)? (hund_reg + 2‘d3) : hund_reg;

174 assign tens_tmp = (tens_reg > 4‘d4)? (tens_reg + 2‘d3) : tens_reg;

175 assign unit_tmp = (unit_reg > 4‘d4)? (unit_reg + 2‘d3) : unit_reg;

176

177 assign thou_data = thou_out;

178 assign hund_data = hund_out;

179 assign tens_data = tens_out;

180 assign unit_data = unit_out;

181

182

183 endmodule

//適用於DE2-115

module Binary_BCD(

input CLOCK_50, // 50 MHz clock

input [3:0] KEY, // Pushbutton[3:0]

input [17:0] SW, // Toggle Switch[17:0]

output [6:0] HEX0,HEX1,HEX2,HEX3,HEX4,HEX5,HEX6,HEX7, // Seven Segment Digits

output [8:0] LEDG, // LED Green

output [17:0] LEDR, // LED Red

inout [35:0] GPIO_0,GPIO_1, // GPIO Connections

// LCD Module 16X2

output LCD_ON, // LCD Power ON/OFF

output LCD_BLON, // LCD Back Light ON/OFF

output LCD_RW, // LCD Read/Write Select, 0 = Write, 1 = Read

output LCD_EN, // LCD Enable

output LCD_RS, // LCD Command/Data Select, 0 = Command, 1 = Data

inout [7:0] LCD_DATA, // LCD Data bus 8 bits

input [2:0] mess, // MESSAGE STATUS (see lcd_test)

input [1:0] isServer // SERVER STATUS (see lcd_test)

);

// All inout port turn to tri-state

assign GPIO_0 = 36'hzzzzzzzzz;

assign GPIO_1 = 36'hzzzzzzzzz;

// blank unused 7-segment digits

//assign HEX0 = 7'b111_1111;

//assign HEX1 = 7'b111_1111;

//assign HEX2 = 7'b111_1111;

//assign HEX3 = 7'b111_1111;

assign HEX4 = 7'b111_1111;

assign HEX5 = 7'b111_1111;

assign HEX6 = 7'b111_1111;

assign HEX7 = 7'b111_1111;

wire [7:0] segout0; //HEX 0

wire [7:0] segout1; //HEX 1

wire [7:0] segout2; //HEX 2

wire [7:0] segout3; //HEX 3

wire [3:0] othou_data; //千位

wire [3:0] ohund_data; //百位

wire [3:0] otens_data; //十位

wire [3:0] ounit_data; //個位

assign LEDR =SW ;

Bin_BCD

(

CLOCK_50,

KEY[0],

SW[17],

SW[15:0],

LEDG[0],

othou_data, //千位

ohund_data, //百位

otens_data, //十位

ounit_data //個位

);

_7seg UUT0(.hex(ounit_data),

.seg(segout0));

_7seg UUT1(.hex(otens_data),

.seg(segout1));

_7seg UUT2(.hex(ohund_data),

.seg(segout2));

_7seg UUT3(.hex(othou_data),

.seg(segout3));

assign HEX0=segout0[6:0];

assign HEX1=segout1[6:0];

assign HEX2=segout2[6:0];

assign HEX3=segout3[6:0];

endmodule

module Bin_BCD

parameter DATA_WIDTH = 16,

parameter SHIFT_WIDTH = 5,

parameter SHIFT_DEPTH = 16

)

(

input clk,

input rst_n,

input tran_en,

input [DATA_WIDTH - 1:0] data_in,

output reg tran_done,

output [3:0] thou_data, //千位

output [3:0] hund_data, //百位

output [3:0] tens_data, //十位

output [3:0] unit_data //個位

);

//-------------------------------------------------------

localparam IDLE = 3'b001;

localparam SHIFT = 3'b010;

localparam DONE = 3'b100;

//-------------------------------------------------------

reg [2:0] pre_state;

reg [2:0] next_state;

reg [SHIFT_DEPTH-1:0] shift_cnt;

reg [DATA_WIDTH:0] data_reg;

reg [3:0] thou_reg;

reg [3:0] hund_reg;

reg [3:0] tens_reg;

reg [3:0] unit_reg;

reg [3:0] thou_out;

reg [3:0] hund_out;

reg [3:0] tens_out;

reg [3:0] unit_out;

wire [3:0] thou_tmp;

wire [3:0] hund_tmp;

wire [3:0] tens_tmp;

wire [3:0] unit_tmp;

//-------------------------------------------------------

//FSM step1

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(rst_n == 1'b0)begin

pre_state <= IDLE;

end

else begin

pre_state <= next_state;

end

//FSM step2

always @(*)begin

case(pre_state)

IDLE:begin

if(tran_en == 1'b1)

next_state = SHIFT;

else

next_state = IDLE;

end

SHIFT:begin

if(shift_cnt == SHIFT_DEPTH + 1)

next_state = DONE;

else

next_state = SHIFT;

end

DONE:begin

next_state = IDLE;

end

default:next_state = IDLE;

endcase

end

//FSM step3

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(rst_n == 1'b0)begin

thou_reg <= 4'b0;

hund_reg <= 4'b0;

tens_reg <= 4'b0;

unit_reg <= 4'b0;

tran_done <= 1'b0;

shift_cnt <= 'd0;

data_reg <= 'd0;

end

else begin

case(next_state)

IDLE:begin

thou_reg <= 4'b0;

hund_reg <= 4'b0;

tens_reg <= 4'b0;

unit_reg <= 4'b0;

tran_done <= 1'b0;

shift_cnt <= 'd0;

data_reg <= data_in;

end

SHIFT:begin

if(shift_cnt == SHIFT_DEPTH + 1)

shift_cnt <= 'd0;

else begin

shift_cnt <= shift_cnt + 1'b1;

data_reg <= data_reg << 1;

unit_reg <= {unit_tmp[2:0], data_reg[16]};

tens_reg <= {tens_tmp[2:0], unit_tmp[3]};

hund_reg <= {hund_tmp[2:0], tens_tmp[3]};

thou_reg <= {thou_tmp[2:0], hund_tmp[3]};

end

DONE:begin

tran_done <= 1'b1;

end

default:begin

thou_reg <= thou_reg;

hund_reg <= hund_reg;

tens_reg <= tens_reg;

unit_reg <= unit_reg;

tran_done <= tran_done;

shift_cnt <= shift_cnt;

end

endcase

end

//-------------------------------------------------------

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(rst_n == 1'b0)begin

thou_out <= 'd0;

hund_out <= 'd0;

tens_out <= 'd0;

unit_out <= 'd0;

end

else if(tran_done == 1'b1)begin

thou_out <= thou_reg;

hund_out <= hund_reg;

tens_out <= tens_reg;

unit_out <= unit_reg;

end

else begin

thou_out <= thou_out;

hund_out <= hund_out;

tens_out <= tens_out;

unit_out <= unit_out;

end

//-------------------------------------------------------

assign thou_tmp = (thou_reg > 4'd4)? (thou_reg + 2'd3) : thou_reg;

assign hund_tmp = (hund_reg > 4'd4)? (hund_reg + 2'd3) : hund_reg;

assign tens_tmp = (tens_reg > 4'd4)? (tens_reg + 2'd3) : tens_reg;

assign unit_tmp = (unit_reg > 4'd4)? (unit_reg + 2'd3) : unit_reg;

assign thou_data = thou_out;

assign hund_data = hund_out;

assign tens_data = tens_out;

assign unit_data = unit_out;

endmodule

//-----------------------------------------

//Common-cathod seven segment display

//using case.....endcase statement

//Filename : sevenseg_case.v

//-----------------------------------------

module _7seg(hex , seg);

input [3:0] hex;

output [7:0] seg;

reg [7:0] seg;

// segment encoding

// 0

// ---

// 5 | | 1

// --- <- 6

// 4 | | 2

// ---

// 3

always @(hex)

begin

case (hex)

// Dot point is always disable

4'b0001 : seg = 8'b11111001; //1 = F9H

4'b0010 : seg = 8'b10100100; //2 = A4H

4'b0011 : seg = 8'b10110000; //3 = B0H

4'b0100 : seg = 8'b10011001; //4 = 99H

4'b0101 : seg = 8'b10010010; //5 = 92H

4'b0110 : seg = 8'b10000010; //6 = 82H

4'b0111 : seg = 8'b11111000; //7 = F8H

4'b1000 : seg = 8'b10000000; //8 = 80H

4'b1001 : seg = 8'b10010000; //9 = 90H

4'b1010 : seg = 8'b10001000; //A = 88H

4'b1011 : seg = 8'b10000011; //b = 83H

4'b1100 : seg = 8'b11000110; //C = C6H

4'b1101 : seg = 8'b10100001; //d = A1H

4'b1110 : seg = 8'b10000110; //E = 86H

4'b1111 : seg = 8'b10001110; //F = 8EH

default : seg = 8'b11000000; //0 = C0H

endcase

end

endmodule

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