基于FPGA采用模塊化思路設(shè)計(jì)一個(gè)譯碼器

本次實(shí)驗(yàn)的任務(wù)是構(gòu)建一個(gè)3-8譯碼器，且將譯碼結(jié)果通過小腳丫的LED燈顯示。

聽上去并不難，而且我能想象到，一定會(huì)有不少同學(xué)會(huì)立刻開始畫一個(gè)8行的真值表，然后通過卡諾圖進(jìn)行化簡，且根據(jù)最終的邏輯表達(dá)式畫出門電路圖。這個(gè)方法當(dāng)然沒有錯(cuò)，不過，如果面對(duì)更多位數(shù)的系統(tǒng)，比如4-16或者是8-256的譯碼器，建一個(gè)幾百行的真值表并進(jìn)行邏輯運(yùn)算聽上去似乎不那么科學(xué)。

在這里我們將采用模塊化的思路來完成我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

在開始進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)之前，我們先做一個(gè)2-4譯碼器，也就是譯碼器系列中最底層的基礎(chǔ)模塊。

表1 2-4譯碼器真值表

這次的代碼我們采用行為級(jí)描述(Behavioral-level)的寫法，直接根據(jù)真值表將輸入與輸出的各種組合進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)?？梢钥闯?，行為級(jí)的寫法甚至不需要構(gòu)建門電路，僅通過輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系即可構(gòu)建，因此最為抽象。

module decode24
   (
     input wire [1:0] A,     //定義兩位輸入
     output reg [3:0] Y      //定義輸出的4位譯碼結(jié)果對(duì)應(yīng)的led
   );


  always@(A)     //always塊語句，a值變化時(shí)執(zhí)行一次過程塊               
  begin
    case(A)
      2'b00: Y = 4'b0001;  //2-4譯碼結(jié)果
      2'b01: Y = 4'b0010;
      2'b10: Y = 4'b0100;
      2'b11: Y = 4'b1000;
    endcase
  end
endmodule

有了最基礎(chǔ)的模塊，如何通過它搭建出3-8譯碼器呢？現(xiàn)在，我們?cè)谠械恼嬷当砩霞由弦宦肥鼓?a target="_blank">信號(hào)E，再來觀察一下新的真值表。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)E為低電平時(shí)，不論輸入的取值如何，前四位輸出均為0。當(dāng)E為高電平時(shí)，右側(cè)仍然為2-4譯碼器的輸出結(jié)構(gòu)。

表2 2-4譯碼器真值表（加使能信號(hào)）

我們可以把表3看作為一個(gè)3-8譯碼器的真值表，只不過輸入端的最高位由E代替。由于E為低電平時(shí)輸出最高的四位均為0，因此確保我們?cè)趯?duì)后四位輸出(黃色)進(jìn)行賦值不會(huì)影響到前四位的輸出。

表3 3-8譯碼器真值表

從表3不難看出，黃框和紅框?qū)?yīng)的其實(shí)就是一個(gè)帶有使能端的2-4譯碼器，且使能端E控制著前后半端位數(shù)的輸出結(jié)果。也就是說，一個(gè)3-8譯碼器可以由兩個(gè)2-4譯碼器構(gòu)成。同理，一個(gè)4-16譯碼器可以由兩個(gè)3-8譯碼器構(gòu)成，以此類推。

帶有使能E的2-4譯碼器如下圖所示。實(shí)際上就是在之前的代碼上稍做修改，在這里我們就不詳細(xì)寫出來了，給大家自行練習(xí)的機(jī)會(huì)。

接下來，按照之前的分析，我們畫出由兩個(gè)2-4譯碼器組成的3-8譯碼器的結(jié)構(gòu)。

以下是用Verilog寫的一個(gè)3-8譯碼器，在程序里我們調(diào)用了兩次2-4譯碼器的子模塊。注意，子模塊的文件需要和decode38文件放在同一個(gè)工程目錄下，不然就成了隔壁老王了。

module decode38
(
  input wire [2:0] X,
  output wire [7:0] D
);
  decode24 upper    //調(diào)用第一個(gè)子模塊，命名為upper  
    (
      .a(X[1:0]),    //將大模塊的X1,X0與lower的A1,A0匹配
      .E(X[2]),     //將大模塊的X2與lower的E匹配
      .Y(D[7:4])    //將大模塊的D7-D4與lower的Y3-Y0匹配
    );


 decode24 lower    //調(diào)用第二個(gè)子模塊，命名為lower
    (
      .a(X[1:0]),    //將大模塊的X1,X0與lower的A1,A0匹配
      .E(!X[2]),    //將大模塊的X2與lower的E匹配
      .Y(D[3:0])    //將大模塊的D7-D4與lower的Y3-Y0匹配
    ); 
endmodule

當(dāng)你反復(fù)在圖和代碼之間徘徊幾輪，并有了多么痛的領(lǐng)悟之后，你就可以把自己編譯好的程序下載到小腳丫里，然后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試你的代碼了。

練習(xí)一下，當(dāng)我們把輸出D7-D1分別對(duì)應(yīng)為小腳丫上的L7-L1，且輸入X2-X0分別對(duì)應(yīng)至小腳丫的SW3-SW1，請(qǐng)判斷以下的LED狀態(tài)（低電平亮）。

在倒騰了半天之后，你終于搞定了代碼，并且成功在小腳丫上驗(yàn)證了你的設(shè)計(jì)，于是滿懷信心的你終于可以嘗試一下通過模塊化的設(shè)計(jì)思路去構(gòu)建4-16甚至更多位的譯碼器了。