基于FPGA的二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，電子測(cè)量系統(tǒng)常用到二-十進(jìn)制(BCD)轉(zhuǎn)碼器來(lái)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換[1-2]。目前，電子系統(tǒng)中的二-十進(jìn)制(BCD)數(shù)制轉(zhuǎn)換有三類實(shí)現(xiàn)方法，一是采用軟件算法的實(shí)現(xiàn)方式[3-4]，傳統(tǒng)的方法是用DAA調(diào)節(jié)指令實(shí)現(xiàn)，但效率較低；其次是純硬件運(yùn)算實(shí)現(xiàn)方式[5-7]，這種實(shí)現(xiàn)方式從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算到硬件的直接映射，常采用邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)移位來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率較高，但是在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位數(shù)較多時(shí)，運(yùn)算量會(huì)顯著增加，硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)也較大；三是基于數(shù)據(jù)查找表LUT(Lookup Table)的實(shí)現(xiàn)方式[2，8-10]。
本文提出了一個(gè)高效、易于重構(gòu)的二-十進(jìn)制(BCD)轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)方案，并在FPGA開(kāi)發(fā)板上成功地進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1 二-十進(jìn)制(BCD)碼的轉(zhuǎn)換算法

從以上的二-十進(jìn)制(BCD)碼變換算法中可以看到，二進(jìn)制數(shù)據(jù)的最低位b1不需要轉(zhuǎn)換而直接輸出，而且每個(gè)轉(zhuǎn)換運(yùn)算單元的低3位輸出數(shù)據(jù)始終不會(huì)大于(4)D/(100)B，這樣就能夠保證最后得到的每一位BCD碼不會(huì)大于(9)D/(1001)B，從而得到BCD碼的正確轉(zhuǎn)換輸出。

2 二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器的實(shí)現(xiàn)

2.1 二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器的ASIC實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的轉(zhuǎn)換算法，參考文獻(xiàn)[5]、[11]中給出了全定制的轉(zhuǎn)碼器專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)方案。首先，構(gòu)造出5 bit二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換單元，然后再以此轉(zhuǎn)換單元為基本單位擴(kuò)展成其他的多位二-十進(jìn)制(BCD)轉(zhuǎn)碼器，TI公司的SN74185A芯片就是這樣的一個(gè)5 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，用它實(shí)現(xiàn)的10 bit二-十進(jìn)制（BCD）碼轉(zhuǎn)換器如圖2所示。

圖2所示的轉(zhuǎn)碼器與圖1的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于采用了5 bit的轉(zhuǎn)換單元而不是4 bit的基本單元（高3 bit轉(zhuǎn)換單元的最高位輸入接地），從而簡(jiǎn)化了多位轉(zhuǎn)碼器的電路結(jié)構(gòu)。每個(gè)轉(zhuǎn)換單元（SN74185A）的6個(gè)輸出位權(quán)依次是（20、10、5、4、2、1），因此也保證了每個(gè)轉(zhuǎn)換運(yùn)算單元的低3位輸出數(shù)據(jù)始終不會(huì)大于(4)D/(100)B，使最后得到的每位BCD碼都不會(huì)大于(9)D/(1001)B。使用時(shí)要求轉(zhuǎn)換單元(SN74185A)的無(wú)用輸入端作接地處理。假如需要轉(zhuǎn)換的10 bit數(shù)據(jù)是(1110011011)B，每個(gè)轉(zhuǎn)換模塊完成輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位權(quán)轉(zhuǎn)換，如圖2所示，經(jīng)過(guò)第一層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到(10101111011)，再依次經(jīng)過(guò)后面第2層至第4層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到各層次相應(yīng)轉(zhuǎn)換輸出分別是：(10111000011)、(100011000011)、(0100100100011)，第4層的轉(zhuǎn)換輸出就是十進(jìn)制（BCD）碼：(0100100100011)BCD=(923)D。

2.2 基于FPGA的二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)

在片上數(shù)字系統(tǒng)（SOPC）中實(shí)現(xiàn)二-十進(jìn)制（BCD）碼轉(zhuǎn)換器，如果直接依據(jù)圖2所示的結(jié)構(gòu)，使用SN74185A芯片的IP核（Quartus II工具提供）來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)碼器不但存在著2.1中所述的不足之處，而且還會(huì)面臨著更大的硬件資源浪費(fèi)問(wèn)題，這是由于FPGA中的邏輯單元（LEs）都是基于4輸入的數(shù)據(jù)查找表（LUT），如果要實(shí)現(xiàn)5輸入的轉(zhuǎn)換單元（SN74185A），就需要查找表級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，從而會(huì)造成路徑延遲進(jìn)一步增大、邏輯單元利用率降低、硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)提高。

為了克服以上的轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)缺陷，針對(duì)FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者提出了以下設(shè)計(jì)思路：(1)以4 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換作為基本的轉(zhuǎn)換單元來(lái)適應(yīng)FPGA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而提高邏輯單元利用率，達(dá)到降低硬件代價(jià)的目的；(2)利用Verilog HDL層次化設(shè)計(jì)描述的靈活性，以4 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元為最底層模塊，構(gòu)造出更大的5 bit和6 bit轉(zhuǎn)換單元（模塊）。這種設(shè)計(jì)方法為二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器的構(gòu)建提供了4 bit、5 bit和6 bit三種不同大小的單元模塊，可使每一個(gè)轉(zhuǎn)換單元模塊的使用恰到好處（需要小模塊的地方就不會(huì)使用大模塊）。

2.2.1 二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器單元模塊設(shè)計(jì)

采用上文所述基于FPGA的二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)方案，關(guān)鍵在于要做好最底層模塊（4 bit轉(zhuǎn)碼模塊)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)4 bit轉(zhuǎn)碼模塊的不同Verilog HDL描述方式也會(huì)帶來(lái)不同的實(shí)現(xiàn)代價(jià)；本文使用結(jié)構(gòu)描述實(shí)現(xiàn)4 bit轉(zhuǎn)碼模塊（Bin2Bcd_4），再通過(guò)4 bit轉(zhuǎn)碼模塊層次實(shí)例化構(gòu)成5 bit轉(zhuǎn)碼模塊(Bin2Bcd_5)和6 bit轉(zhuǎn)碼模塊(Bin2Bcd_6)的設(shè)計(jì)，4 bit、5 bit和6 bit三種單元模塊的構(gòu)造示意圖如圖3所示。


2.2.2 基于混合模塊的二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)

根據(jù)二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼算法，使用上文2.2.1中得到的4 bit、5 bit和6 bit三種二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)碼單元模塊，構(gòu)造出7 bit、10 bit和12 bit二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器結(jié)構(gòu)，如圖4所示，轉(zhuǎn)碼單元模塊的多余輸入端接地，多余輸出端懸空。

3 二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本文使用Quartus II 6.0（Full Version）開(kāi)發(fā)工具，對(duì)于圖4所示的3個(gè)混合模塊構(gòu)建的二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器，在Altera公司的FPGA（Altera EP1K30QC208-2）芯片上分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。其中12 bit二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器的功能仿真和時(shí)序仿真結(jié)果如圖5所示。

在完全相同的軟硬件驗(yàn)證環(huán)境下，把圖4所示的轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)和使用中規(guī)模集成電路IP核（SN74185A）實(shí)現(xiàn)的7 bit、10 bit和12 bit的轉(zhuǎn)碼器進(jìn)行了性能對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)一步表明了這種采用混合模塊構(gòu)建二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器的行之有效性；表1所示為采用這兩種構(gòu)建方法得到的7 bit、10 bit和12 bit轉(zhuǎn)碼器的驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比。

Altera EP1K30QC208-2（FPGA）芯片上的7 bit、10 bit和12 bit轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果和使用IP核（SN74185A）實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)碼器驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比更加充分證明了這種設(shè)計(jì)思路的可行性；這種高效、易于重構(gòu)的二-十進(jìn)制（BCD）轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)為基于FPGA的片上數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)做出了有意義的積極探索。