【嵌入式系统应用开发】FPGA——1位全加器的实现_一位全加器真值表

1 认识全加器

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。

真值表如下：

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

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：

由于两个半加器可以构成一个全加器，所以在这里进位Ci还可以表示为

逻辑电路图
根据逻辑表达式绘制两种逻辑电路图如下：

2 输入原理图实现1位加法器

2.1 半加器

2.1.1创建工程过程

启动 Quartus II 软件，选择File->New Project Wizard，在出现的界面下先Next，填写工程的路径和名称，然后接着Next，直到出现下面界面并进行相应操作。接着一路Next，直到Finish，完成工程的创建。

2.1.2 半加器原理图输入

首先选择File->New，进入后选择Block Diagram/Schematic File，新建原理图文件

选择元件，并添加输入输出，完成效果如下：

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

2.1.3 仿真实现

创建一个向量波形文件，选择菜单项 File→New->VWF

双击空白处添加信号

编辑信号

功能仿真结果如下

通过仿真结果，可以发现得到的结果与真值表中吻合。

2.2 全加器

利用半加器元件实现全加器

2.2.1 设置项目为可调用的元件

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

2.2.2 绘制原理图

新建原理图文件，选择刚才创建的半加器

并依次添加输入、输出，电路原理图如下：

与上述步骤相同，查看电路图，结果如下：

2.2.3 仿真实现

仿真，编辑信号，步骤与上述相同，下文将不做赘述

仿真结果如下

3 Verilog实现1位加法器

3.1 创建Verilog文件

填写代码如下：

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
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3.2 编译仿真

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

创建一个向量波形文件，选择菜单项 File→New->VWF

添加信号，步骤如上文，功能仿真结果如下

4 下载测试

以原理图实现的1位加法器上板为例

芯片引脚配置表如下：

4.1 输入原理图

1. 将设计项目设置为顶层文件
   选中对应的设计文件
   

2. 选择目标芯片（新建工程时已指定目标芯片，此步骤可以省略）
   在菜单中选择assignments->device
   
   在弹出的对话框内选择目标芯片，本次实验选择EP4CE115F29C7
   

3. 设置引脚
   使用3个SW作为输入信号，2个LED作为输出信号
   
   绑定引脚后，重新编译后，原理图如下：
   

4. 下载
   

此处有个坑：
因为之前安装Quartus时，没装驱动，无法感知连接到的设备

解决办法
需要打开设备管理器，在其他设备中，可以看到一个USB-blaster更新驱动，找到点击【浏 览】按钮选择驱动程序的路径为 Quartus 软件安装目录下\qurtus\drivers\usb-blaster

5. 实验结果
   通过拨动SW，观察LED的亮灭的效果，发现SW开表示1，关表示0，LED亮表示1，灭表示0。最终，验证的结果为跟其真值表相吻合。
   

总结

通过本次实验，学习了解了一位加法器，总体来说实验完成比较顺利，在实验过程中，出现了找不到驱动的情况，在查阅相关文章后，顺利解决。

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参考：
https://blog.csdn.net/nimalaigebazi/article/details/122441089
https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115480406
https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115158140