目录
1. 前言
2. 运行环境
3.实现原理
4. 实现过程
5. 代码
顶层代码
输入模块
状态机模块
计算模块
显示模块
约束文件
6. 功能仿真
1. 前言
近期在学习EDA课程，课上学习了一部分关于使用Verilog语言实现求两个数的最大公约数的算法，课后在完成作业的时候看到了一篇关于在ZYBO Z7实现四位全加器的博客，于是参考该代码的输入及显示方式，实现了使用ZYBO Z7来计算最大公约数的功能，但是ZYBOZ7开发板的拨码只有4个，所以只能计算2个4位数的最大公约数。
部分参考程序：
四位全加器的FPGA实现_hfutstudenthuang的博客-CSDN博客_fpga四位加法器
2. 运行环境
1. 软件：vivado 2018.3
2. FPGA开发板：ZYBO Z7
3.实现原理
最大公约数的算法流程图如下：
在以上过程中，存在使用除法求余数的步骤。用硬件实现除法开销较大，所以使用减法来实现，除法取余数本质上是不断做减法直到被除数小于除数。
4. 实现过程
RTL图如下：
其中共包括4个模块，即
输入模块：通过FPGA上的拨码即按钮进行两个数据的输入，以及使用开关控制结果出输出及复位。
状态机模块：规模较小的数字系统/子系统的控制逻辑一般采用状态机来实现。根据需求，对应的计算过程可以分为等待输入、计算、等待输出等三步。
计算模块：计算过程。
显示模块：通过LED灯来显示输入数据、运算结果。
5. 代码
顶层代码
`timescale 1ns/100ps//时间精度
//定义值
`define A_SEL_X 2'bxx
`define A_SEL_IN 2'b00
`define A_SEL_B 2'b01
`define A_SEL_SUB 2'b10
`define B_SEL_X 1'bx
`define B_SEL_IN 1'b0
`define B_SEL_A 1'b1
//顶层模块
module gcd_rtl_top #(parameter W=4)(
input clk, //时钟信号
input reset, //复位信号
input wire bottom1, //开关（控制数据1输入）
input wire bottom2, //开关2（控制数据2输入）
input wire bottom3, //开关3（控制输出结果）
input wire [W-1:0] data, //当前的数据
output wire [3:0] display_result,//输出结果
output result_rdy //运算状态
);
//定义中间数据类型
wire [W-1:0] result_data; //运算结果
wire A_en;
wire B_en;
wire [1:0] A_sel;
wire B_sel;
wire B_zero;
wire A_lt_B;
wire [W-1:0] operand_A; //数据1
wire [W-1:0] operand_B; //数据2
//调用子模块
//输入模块
data_in data_in(
.clk(clk),
.reset(reset),
.bottom1(bottom1),
.bottom2(bottom2),
.data(data),
.operand_A(operand_A),
.operand_B(operand_B)
);
//状态机模块
gcdGCDUnitCtrl gcdUC(
.clk(clk),
.reset(reset),
.A_en(A_en),
.B_en(B_en),
.A_sel(A_sel),
.B_sel(B_sel),
.result_rdy(result_rdy),
.B_zero(B_zero),
.A_lt_B(A_lt_B)
);
//计算模块
gcdGCDUnitDpath gcdUD(
.clk(clk),
.operand_A(operand_A),
.operand_B(operand_B),
.result_data(result_data),
.A_en(A_en),
.B_en(B_en),
.A_sel(A_sel),
.B_sel(B_sel),
.B_zero(B_zero),
.A_lt_B(A_lt_B)
);
//显示模块
display display(
.clk(clk),
.reset(reset),
.bottom1(bottom1),
.bottom2(bottom2),
.bottom3(bottom3),
.result_data(result_data),
.display_result(display_result),
.result_rdy(result_rdy),
.data(data)
);
endmodule输入模块
`timescale 1ns / 1ps
//定义输入/输出
module data_in(
input clk,
input reset,
input bottom1,
input bottom2,
input [3:0] data,
output reg[3:0] operand_A=1,
output reg[3:0] operand_B=1
);
always @(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset) //按下复位键时数据1,2都为0.
begin
operand_A<= 0;
operand_B<= 0;
end
else
begin
if(bottom1) //bottom1按下时，数据1接收当前输入数据
begin
operand_A <= data;
end
else if(bottom2) //bottom2按下时，数据2接收当前输入数据
begin
operand_B <= data;
end
end
end
endmodule状态机模块
`timescale 1ns/100ps
`define A_SEL_X 2'bxx
`define A_SEL_IN 2'b00
`define A_SEL_B 2'b01
`define A_SEL_SUB 2'b10
`define B_SEL_X 1'bx
`define B_SEL_IN 1'b0
`define B_SEL_A 1'b1
module gcdGCDUnitCtrl
#(parameter W = 4)//数据位数
(
input clk,
input reset,
input B_zero,
input A_lt_B,
output reg A_en,
output reg B_en,
output reg [1:0] A_sel,
output reg B_sel,
output reg result_rdy
);
localparam WAIT = 2'd0;
localparam CALC = 2'd1;
localparam DONE = 2'd2; //三种状态
reg [1:0] state_next; //下次状态
wire [1:0] state; //当前状态
//复位信号
vcRDFF_pf state_pf
( .clk (clk),
.reset_p (reset),
.d_p (state_next),
.q_np (state)
);
always @(*)
begin
//控制信号
A_sel = `A_SEL_X; //定义初始值
A_en = 1'b0;
B_sel = `B_SEL_X;
B_en = 1'b0;
result_rdy = 1'b0; //表示计算未结束
case ( state )
WAIT:
begin //位于WAIT状态，读取数据
A_sel = `A_SEL_IN;
A_en = 1'b1;
B_sel = `B_SEL_IN;
B_en = 1'b1;
end
CALC: //位于计算状态
begin
if ( A_lt_B ) //当A_lt_B=1时
begin
A_sel = `A_SEL_B;
A_en = 1'b1;
B_sel = `B_SEL_A;
B_en = 1'b1;
end
else if ( !B_zero ) //当B_zero不为0时
begin
A_sel = `A_SEL_SUB;
A_en = 1'b1;
end
end
DONE: result_rdy = 1'b1; //位于计算结束状态
endcase
end
always @(*) //运算过程
begin
state_next = state; // 默认保持当前状态
case ( state )
WAIT :
state_next = CALC;
CALC :
if ( B_zero) begin
state_next = DONE;
end
DONE :
state_next = WAIT;
endcase
end
endmodule
`timescale 1ns / 1ps
module vcRDFF_pf
( input clk,
input reset_p,
input[1:0] d_p,
output reg[1:0] q_np
);
localparam WAIT = 2'd0;
localparam CALC = 2'd1;
localparam DONE = 2'd2;
always @( posedge clk or posedge reset_p )
begin
if( reset_p ) //当复位为1时，状态为WAIT
q_np <= WAIT;
else
q_np <= d_p; //当复位为0时，状态为下一状态
end
endmodule
计算模块
module gcdGCDUnitDpath #(parameter W = 4)
( input clk,
input [W-1:0] operand_A,
input [W-1:0] operand_B,
output [W-1:0] result_data,
input A_en,
input B_en,
input [1:0] A_sel,
input B_sel,
output B_zero,
output A_lt_B
);
wire [W-1:0] B;
wire [W-1:0] sub_out;
wire [W-1:0] A_out;
// 3-1多路复用器
vcMux3#(W) A_mux
( .in0 (operand_A),
.in1 (B),
.in2 (sub_out),
.sel (A_sel),
.out (A_out) );
wire [W-1:0] A;
// register with enable
vcEDFF_pf#(W) A_pf
( .clk (clk),
.en_p (A_en),
.d_p (A_out),
.q_np (A) );
wire [W-1:0] B_out;
// 2-1多路复用器
vcMux2#(W) B_mux
( .in0 (operand_B),
.in1 (A),
.sel (B_sel),
.out (B_out) );
// register with enable
vcEDFF_pf#(W) B_pf
( .clk (clk),
.en_p (B_en),
.d_p (B_out),
.q_np (B) );
assign B_zero = (B==0);
assign A_lt_B = (A < B);
assign sub_out = A - B;
assign result_data = A;
endmodule
`timescale 1ns/100ps
`define A_SEL_X 2'bxx
`define A_SEL_IN 2'b00
`define A_SEL_B 2'b01
`define A_SEL_SUB 2'b10
`define B_SEL_X 1'bx
`define B_SEL_IN 1'b0
`define B_SEL_A 1'b1
module vcMux3 #(parameter W = 4)
(
input[W-1:0] in0,
input[W-1:0] in1,
input[W-1:0] in2,
input[1:0] sel,
output reg[W-1:0] out
);
always @(*)
begin
case(sel)
`A_SEL_IN : out <= in0;
`A_SEL_B : out <= in1;
`A_SEL_SUB : out <= in2;
endcase
end
endmodule`timescale 1ns/100ps
`define A_SEL_X 2'bxx
`define A_SEL_IN 2'b00
`define A_SEL_B 2'b01
`define A_SEL_SUB 2'b10
`define B_SEL_X 1'bx
`define B_SEL_IN 1'b0
`define B_SEL_A 1'b1
module vcMux2 #(parameter W = 4)
(
input [W-1:0] in0,
input [W-1:0] in1,
input sel,
output reg[W-1:0] out
);
always @(sel)
begin
case(sel)
`B_SEL_IN : out <= in0;
`B_SEL_A : out <= in1;
endcase
end
endmodule`timescale 1ns/100ps
`define A_SEL_X 2'bxx
`define A_SEL_IN 2'b00
`define A_SEL_B 2'b01
`define A_SEL_SUB 2'b10
`define B_SEL_X 1'bx
`define B_SEL_IN 1'b0
`define B_SEL_A 1'b1
module vcEDFF_pf #(parameter W = 4)
(
input clk,
input en_p,
input[W-1:0] d_p,
output reg[W-1:0] q_np
);
always @(posedge clk)
begin
if(en_p) begin
q_np <= d_p;
end
end
endmodule显示模块
`timescale 1ns / 1ps
module display(
input clk,
input reset,
input bottom1,
input bottom2,
input bottom3,
input carry_out,
input [3:0] result_data,
output reg [3:0] display_result,
input result_rdy,
input [3:0] data
);
always @(posedge clk or posedge reset)
begin
if(reset) //按下复位键，输出清0
begin
display_result <= 0;
end
else
begin
if(bottom3&result_rdy) //bottom3按下时，显示求和结果以及进位输出
begin
display_result <= result_data;
end
else if(bottom1) //bottom1按下时，显示输入数据
begin
display_result <=data;
end
else if(bottom2) //bottom2按下时，显示输入数据
begin
display_result <= data;
end
end
end
endmodule
约束文件
##Clock signal
set_property -dict { PACKAGE_PIN K17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { clk }];
create_clock -add -name sys_clk_pin -period 8.00 -waveform {0 4} [get_ports { clk }];
##Switches
set_property -dict { PACKAGE_PIN G15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { data[0] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { data[1] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN W13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { data[2] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { data[3] }];
##Buttons
set_property -dict { PACKAGE_PIN K18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { reset }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN P16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { bottom1 }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN K19 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { bottom2 }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN Y16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { bottom3 }];
##LEDs
set_property -dict { PACKAGE_PIN M14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { display_result[0] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN M15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { display_result[1] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN G14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { display_result[2] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN D18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { display_result[3] }];
##RGB LED 5
set_property -dict { PACKAGE_PIN Y11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { result_rdy }];
6. 功能仿真
编写仿真文件：
`timescale 1ns / 1ps
module gcd_rtl_test;
parameter W = 4;
reg clk = 0;
reg reset = 1;
reg bottom1;
reg bottom2;
reg bottom3;
reg [W-1:0] data;
wire [W-1:0] display_result;
gcd_rtl_top #(4) gcd_rtl(
.clk(clk),
.reset(reset),
.bottom1(bottom1),
.bottom2(bottom2),
.bottom3(bottom3),
.display_result(display_result),
.data(data)
);
always #10 clk =~clk;
initial begin
clk <= 0;
reset <= 1;
bottom1 <= 0;
bottom2 <= 0;
bottom3 <= 0;
#20 reset = 0;
#20 bottom1<=1;
data <= 4'd6;
#20 bottom1<=0;
bottom2<=1;
data<= 4'd9;
#20 bottom1<=0;
bottom2<=0;
#20
bottom3 <= 1;
end
endmodule
点击run simulation仿真结果如下：
当bottom1按下时，显示结果为6，即第一个输入。
当bottom2按下时，显示结果为9，即第二个输入。
当bottom3按下时，显示为3，运算正确。
7. 结果
点击generate bitstream生成比特流文件；
将zybo z7连接电脑，之后点击open hardware manager，点击open target - auto connect。最后将比特流文件烧录进ZYBO Z7。绿灯亮起，即可以正常使用功能。
拨动开关输入数据4'b 0110（6）,按下右下角从右向左第二个开关（即bottom1），显示0110.
拨动开关输入数据4'b 1001（9）,按下右下角从右向左第三个开关（即bottom2），显示1001.
按下右下角从右向左第四个开关（即bottom3），显示结果0011（3）。
按下右下角从右向左第一个开关（即reset），显示归0.
