芯耀
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基于PS2键盘的LCD计算器VHDL设计DE2-115 FPGA开发板
项目概述
代码功能
本项目实现了一个基于FPGA的数字计算器系统，支持通过PS2键盘输入数字和运算符，并在LCD1602显示屏上显示计算过程和结果。系统支持四则运算（加、减、乘、除），能够处理单位数运算，除法运算还能显示余数。整个系统采用状态机设计，具有良好的用户交互体验和错误处理机制。
代码实现思路
整体架构设计
系统采用模块化设计思想，将功能分解为多个独立的功能模块：
- 输入处理模块：负责PS2键盘信号的接收、解码和按键识别
- 状态控制模块：实现计算器的状态机逻辑，控制整个运算流程
- 数值处理模块：处理数字输入、存储操作数并执行四则运算
- 显示控制模块：控制LCD1602显示屏，实现运算过程和结果的可视化
核心算法流程
- 初始化状态：系统复位，等待第一个操作数输入
- 操作数A输入：接收并存储第一个操作数
- 运算符识别：检测加减乘除运算符，确定运算类型
- 操作数B输入：接收并存储第二个操作数
- 运算执行：根据运算符执行相应的算术运算
- 结果显示：在LCD上显示完整的运算表达式和结果
关键技术特点
- 采用同步时序逻辑设计，确保系统稳定性
- 实现PS2协议解析，支持标准键盘输入
- 集成BCD码转换，便于数字显示处理
- 状态机控制确保运算流程的正确性
演示视频
代码结构
顶层模块 (top.vhd)
系统的顶层模块，负责连接各个子模块并定义外部接口，包括时钟、复位、PS2键盘接口和LCD显示接口。
计算器核心模块 (calculator.vhd)
计算器的主控制模块，集成输入处理、状态控制和数值处理三个子模块，协调整个计算流程。
数据输入模块 (data_input.vhd)
处理PS2键盘输入，包含扫描码接收、ASCII转换和按键识别功能，输出数字和运算符的按键信号。
状态控制模块 (state_ctrl.vhd)
实现计算器的有限状态机，管理输入第一操作数、运算符、第二操作数、计算和显示结果等状态转换。
数值输入模块 (num_in.vhd)
负责数字的输入处理和四则运算的执行，包括操作数存储、运算类型判断和结果计算功能。
LCD显示模块 (lcd1602.vhd)
控制LCD1602显示屏，实现计算过程和结果的实时显示，包括LCD初始化、字符显示和格式控制。
BCD转换模块 (BCD.vhd)
将二进制数转换为BCD码，便于在LCD上以十进制形式显示数字结果。
PS2接口模块 (data_scanC.vhd & convert.vhd)
实现PS2键盘协议的硬件接口，包括扫描码接收和ASCII码转换功能。
工程文件图片
部分代码展示
LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; --计算器 ENTITY calculator IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC;--时钟500K --sys_clk : in STD_LOGIC; -- 系统时钟 reset : IN STD_LOGIC;--低电平复位---rst_n -- L_row : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);----矩阵键盘行 -- H_col : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);----矩阵键盘列 k_data : in STD_LOGIC; -- PS2键盘数据线 k_clock : in STD_LOGIC; -- PS2键盘时钟线 OP_current_state :OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); OP_calcul : OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);--计算方式，--00表示加--01表示减--10表示乘--11表示除 OP_A : OUT integer;--输入的操作数A OP_B : OUT integer;--输入的操作数B OP_Result : OUT integer;--结果 OP_reminder : OUT integer; --余数 error : OUT STD_LOGIC--错误提示 ); END calculator; ARCHITECTURE trans OF calculator IS --输入模块 COMPONENT data_input IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC;--500KHz reset : IN STD_LOGIC; -- L_row : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);--行 -- H_col : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);--列 k_data : in STD_LOGIC; -- PS2键盘数据线 k_clock : in STD_LOGIC; -- PS2键盘时钟线 key_0_rise : OUT STD_LOGIC; key_1_rise : OUT STD_LOGIC; key_2_rise : OUT STD_LOGIC; key_3_rise : OUT STD_LOGIC; key_4_rise : OUT STD_LOGIC; key_5_rise : OUT STD_LOGIC; key_6_rise : OUT STD_LOGIC; key_7_rise : OUT STD_LOGIC; key_8_rise : OUT STD_LOGIC; key_9_rise : OUT STD_LOGIC; key_add_rise : OUT STD_LOGIC; key_sub_rise : OUT STD_LOGIC; key_mul_rise : OUT STD_LOGIC; key_esc_rise : OUT STD_LOGIC; key_enter_rise : OUT STD_LOGIC; key_div_rise : OUT STD_LOGIC ); END COMPONENT; COMPONENT state_ctrl IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC; esc : IN STD_LOGIC; add : IN STD_LOGIC; sub : IN STD_LOGIC; mul : IN STD_LOGIC; div : IN STD_LOGIC; enter : IN STD_LOGIC; current_state : OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); calcul : OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ); END COMPONENT; COMPONENT num_in IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC; esc : IN STD_LOGIC; key_0 : IN STD_LOGIC; key_1 : IN STD_LOGIC; key_2 : IN STD_LOGIC; key_3 : IN STD_LOGIC; key_4 : IN STD_LOGIC; key_5 : IN STD_LOGIC; key_6 : IN STD_LOGIC; key_7 : IN STD_LOGIC; key_8 : IN STD_LOGIC; key_9 : IN STD_LOGIC; error : OUT STD_LOGIC;--错误提示 current_state : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); calcul : IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); OP_A : OUT integer; OP_B : OUT integer; OP_Result : OUT integer; reminder : OUT integer ---余数 ); END COMPONENT; SIGNAL esc : STD_LOGIC;--ESC键 SIGNAL add : STD_LOGIC;--加 SIGNAL sub : STD_LOGIC;--减 SIGNAL mul : STD_LOGIC;--乘 SIGNAL div : STD_LOGIC;--除 SIGNAL enter : STD_LOGIC;--Enter键 SIGNAL current_state : STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); SIGNAL calcul : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); SIGNAL key_0_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_1_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_2_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_3_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_4_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_5_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_6_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_7_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_8_p : STD_LOGIC; SIGNAL key_9_p : STD_LOGIC; -- Declare intermediate signals for referenced outputs SIGNAL OP_A_buf : integer; SIGNAL OP_B_buf : integer; SIGNAL OP_Result_buf : integer; SIGNAL reminder : integer; BEGIN -- Drive referenced outputs OP_A <= OP_A_buf; OP_B <= OP_B_buf; OP_Result <= OP_Result_buf; OP_calcul <= calcul; OP_current_state <= current_state; --输入模块 U_data_input: data_input PORT MAP( clk => clk,--时钟 reset =>reset, -- L_row =>L_row,--行 -- H_col =>H_col,--列 k_data =>k_data, -- PS2键盘数据线 k_clock =>k_clock, -- PS2键盘时钟线 key_0_rise =>key_0_p, key_1_rise =>key_1_p, key_2_rise =>key_2_p, key_3_rise =>key_3_p, key_4_rise =>key_4_p, key_5_rise =>key_5_p, key_6_rise =>key_6_p, key_7_rise =>key_7_p, key_8_rise =>key_8_p, key_9_rise =>key_9_p, key_esc_rise =>esc, key_add_rise =>add, key_sub_rise =>sub, key_mul_rise =>mul, key_div_rise =>div, key_enter_rise =>enter ); --状态控制模块 i_state_ctrl : state_ctrl PORT MAP ( clk => clk,--时钟 esc => esc,--ESC键 add => add,--加 sub => sub,--减 mul => mul,--乘 div => div,--除 enter => enter,--Enter键 current_state => current_state,--当前状态 calcul => calcul--计算 ); --数字输入模块 i_num_in : num_in PORT MAP ( clk => clk,--时钟 esc => esc, error => error, key_0 => key_0_p, key_1 => key_1_p, key_2 => key_2_p, key_3 => key_3_p, key_4 => key_4_p, key_5 => key_5_p, key_6 => key_6_p, key_7 => key_7_p, key_8 => key_8_p, key_9 => key_9_p, current_state => current_state,--当前状态 calcul => calcul,--计算方式，--00表示加--01表示减--10表示乘--11表示除 OP_A => OP_A_buf,--输入的操作数A OP_B => OP_B_buf,--输入的操作数B OP_Result => OP_Result_buf,--结果 reminder => OP_reminder--结果 ); END trans;
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