基于FPGA的可逆數(shù)制轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)二-十進(jìn)制(BCD)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的FPGA實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，基于模塊層次化的設(shè)計(jì)思想，提出了一種高效、易于重構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)方案。并在FPGA(Altera DE2)開發(fā)板上成功進(jìn)行了12 b可逆轉(zhuǎn)碼器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該轉(zhuǎn)碼器通過(guò)端口參數(shù)配置就可以完全實(shí)現(xiàn)不同位數(shù)的二-十進(jìn)制(BCD)數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換。
關(guān)鍵詞：二-十進(jìn)制(BCD)；可逆轉(zhuǎn)碼器；FPGA；邏輯單元；TPD

0 引言
    在數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入、運(yùn)算、輸出過(guò)程中，輸入和輸出常用十進(jìn)制形式表達(dá)；而在系統(tǒng)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示和處理數(shù)據(jù)則更為方便，因此在二進(jìn)制和十進(jìn)制數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換就是非常必要的。此外，數(shù)控機(jī)床、智能儀表、電子秤和數(shù)碼管等顯示設(shè)備也會(huì)頻繁地用到十進(jìn)制(BCD)碼與二進(jìn)制(BIN)碼的相互轉(zhuǎn)換。目前，數(shù)字系統(tǒng)中BCD碼和BIN碼的相互轉(zhuǎn)換有3類實(shí)現(xiàn)方法，首先是采用軟件算法的實(shí)現(xiàn)方式，傳統(tǒng)的是用DAA調(diào)節(jié)指令實(shí)現(xiàn)，但效率較低，不能滿足一些實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。其次是純硬件運(yùn)算實(shí)現(xiàn)方式，這種實(shí)現(xiàn)方式是數(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，可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)位寬進(jìn)行轉(zhuǎn)換器的位數(shù)擴(kuò)展和重構(gòu)。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、路徑延遲也會(huì)增大、整個(gè)轉(zhuǎn)換器的時(shí)序控制也會(huì)變的比較復(fù)雜，也很難做到可逆轉(zhuǎn)碼運(yùn)算。最后是基于數(shù)據(jù)查找表(Look Up Tabie，LUT)的實(shí)現(xiàn)方式，也就是先把全部或部分轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)列表存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)碼器的輸入數(shù)據(jù)(地址碼)直接或間接地從存儲(chǔ)器中取出所需的輸出數(shù)據(jù)，這種以查找表為核心的轉(zhuǎn)換器運(yùn)算速度快、算法直接簡(jiǎn)單；但是會(huì)需要大量的存儲(chǔ)器；并且這種實(shí)現(xiàn)方法往往是針對(duì)具體的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位寬和單一轉(zhuǎn)換方向來(lái)定制存儲(chǔ)器(ROM)容量和存儲(chǔ)器初始化數(shù)據(jù)；一旦需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位數(shù)和方向發(fā)生變化，就根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)位數(shù)擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)重構(gòu)，所有的設(shè)計(jì)就必須重新開始。
    基于FPGA的可逆數(shù)制轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)，充分利用FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和硬件描述語(yǔ)言(Veilog HDL)的抽象和靈活性；二-十進(jìn)制(BCD)轉(zhuǎn)碼器不但具有可配置雙向轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的功能，而且還要求轉(zhuǎn)碼器簡(jiǎn)單、高效和易于位數(shù)擴(kuò)展(模塊化重構(gòu))。因此，文中就提出了一個(gè)高效、易于重構(gòu)的二-十進(jìn)制(BCD)可逆轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)端口參數(shù)配置和模塊重構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)不同位數(shù)的數(shù)據(jù)在二進(jìn)制和十進(jìn)制(BCD)之間相互轉(zhuǎn)換，最后
在FPGA(DE2)開發(fā)板上成功地進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1 數(shù)制的轉(zhuǎn)換算法
    假設(shè)X=(xn-1，xn-2，…，x0)p表示n位p進(jìn)制數(shù)據(jù)，Y=(ym-1，ym-2，…，y0)q表示m位q進(jìn)制數(shù)據(jù)，二者之間等值變換的條件為：
   
    這里，X，Y所表示的數(shù)值范圍分別是[0，pn-1]和[0，qm-1]。而在二進(jìn)制編碼體系下，要把一個(gè)n位p進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為m位的q進(jìn)制數(shù)據(jù)就要求輸入輸出的數(shù)據(jù)位寬必須滿足m=Ceil[n·logqp]=[n·logqp]，這里用“∏”表示整數(shù)上確界Ceil運(yùn)算，輸入輸出數(shù)據(jù)位寬關(guān)系如圖1所示。

    圖1中的din=Ceil[log2 p]=[log2 p]；dout=Ceil[log2 q]=[log2 q]分別表示1位輸入輸出數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位寬，例如1位的八進(jìn)制數(shù)據(jù)需要3 b二進(jìn)制數(shù)表示；而1位的十進(jìn)制數(shù)據(jù)需要4 b二進(jìn)制數(shù)表示，所以X→Y轉(zhuǎn)化的輸入、輸出數(shù)據(jù)位寬(單位：b)分別為：
    n·din=n·[log2 p]               (2)
    m·dout=[n·logq p]·[log2 q]    (3)
    8421BCD碼是使用4 b二進(jìn)制數(shù)表示1位10進(jìn)制數(shù)(0～9)。如果把n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成m位BCD碼(4m位)就要求m位BCD碼所能表示的最大數(shù)不小于n位二進(jìn)制碼所表示最大數(shù)，即10m-1≥2n-1，m≥Ceil[lg 2n]=『n·lg 2]。如果12位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制(BCD)，根據(jù)式(3)算出輸出m位的十進(jìn)制數(shù)據(jù)m=[n·logq p]=[12·lg2]=4；輸出數(shù)據(jù)位寬m·dout=m·[log2 q]=16 b。

2 二-十進(jìn)制可逆轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)
2．1 可逆轉(zhuǎn)碼器的層次化設(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，就要求設(shè)計(jì)者充分利用硬件(FPGA)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和硬件描述語(yǔ)言(HDL)所提供的設(shè)計(jì)靈活性；更好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)碼器的簡(jiǎn)單、高效和結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展。為此，針對(duì)FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了以下設(shè)計(jì)思路：以4 b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換作為基本的可逆轉(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；利用Verilog HDL進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)描述，以4 b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元為最底層模塊，構(gòu)造出更大的5 b和6 b可逆轉(zhuǎn)換單元(模塊)，這樣會(huì)在不增加實(shí)現(xiàn)代價(jià)的前提下，實(shí)現(xiàn)使用大的轉(zhuǎn)碼單元模塊來(lái)簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)碼器的結(jié)構(gòu)、方便轉(zhuǎn)碼器的位數(shù)擴(kuò)展；這種設(shè)計(jì)方法就為二-十進(jìn)制(BCD)可逆轉(zhuǎn)碼器的構(gòu)建提供了4 b，5 b和6 b三種不同大小的單元模塊，這會(huì)讓每一個(gè)轉(zhuǎn)換單元模塊都使用到恰到好處(需要小模塊的地方就不會(huì)使用大模塊)；有效避免了單元模塊利用率不高的問(wèn)題。
2．2 可逆轉(zhuǎn)碼器的功能模塊設(shè)計(jì)
    上述基于FPGA的二-十進(jìn)制(BCD)可逆轉(zhuǎn)碼器設(shè)計(jì)方案，關(guān)鍵就在于要做好最底層模塊(4 b轉(zhuǎn)碼模塊)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)4 b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)；通過(guò)不同描述方式比較最終確定使用結(jié)構(gòu)描述來(lái)實(shí)現(xiàn)4 b可逆轉(zhuǎn)碼模塊(Bin／Bcd_4)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4-5，10]，采用卡諾圖和Multisim軟件化簡(jiǎn)得到最簡(jiǎn)邏輯函數(shù)式如圖2所示。再通過(guò)4 b轉(zhuǎn)碼模塊層次實(shí)例化分別構(gòu)造5 b轉(zhuǎn)碼模塊(Bin／Bcd_5)和6 b轉(zhuǎn)碼模塊(Bin／Bcd_6)，如圖3所示。

2．3 12 b可逆轉(zhuǎn)碼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    根據(jù)二-十進(jìn)制可逆轉(zhuǎn)碼算法，使用上節(jié)中得到的4 b，5 b和6 b三種二-十進(jìn)制可逆轉(zhuǎn)碼單元模塊，構(gòu)造出12 b二-十進(jìn)制(BCD)可逆轉(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要接地，多余輸出端懸利于轉(zhuǎn)碼器的位數(shù)擴(kuò)展，也可以通過(guò)轉(zhuǎn)碼器的使能端BD／DB的取值分別實(shí)現(xiàn)從二進(jìn)制到十進(jìn)制和從十進(jìn)制到二進(jìn)制的數(shù)制轉(zhuǎn)換。

3 二-十進(jìn)制可逆轉(zhuǎn)碼器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證
3．1 可逆轉(zhuǎn)碼器的時(shí)序仿真
    使用QuartusⅡ9．1(Full Version)開發(fā)工具；對(duì)于圖4中二-十進(jìn)制(BCD)可逆轉(zhuǎn)碼器，在Altera公司的FPGA(EP2C35F672C6)芯片上進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果完全達(dá)到了既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)；時(shí)序仿真結(jié)果如圖5所示。在圖5(a)中，使能信號(hào)EN=0，轉(zhuǎn)碼器實(shí)現(xiàn)12 b二進(jìn)制數(shù)向4位十進(jìn)制(BCD)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，SW是輸入12 b二進(jìn)制數(shù)，LEDR是輸出的4位十進(jìn)制(BCD)數(shù)(15 b，最大值是4 095)；在圖5(b)中，使能信號(hào)EN=1，轉(zhuǎn)碼器實(shí)現(xiàn)15 b十進(jìn)制數(shù)(最大4 095)向12 b二進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，SW是輸入15 b十進(jìn)制數(shù)(BCD)，LEDR是輸出的12 b的二進(jìn)制數(shù)。
3．2 可逆轉(zhuǎn)碼器的性能分析
    使用QuartusⅡ9．1開發(fā)工具和DE2開發(fā)板；對(duì)于所設(shè)計(jì)可逆數(shù)制轉(zhuǎn)碼器通過(guò)模塊的參數(shù)配置，分別測(cè)試了轉(zhuǎn)碼器在完成8 b、10 b和12 b轉(zhuǎn)碼情況下的硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)(占用邏輯單元數(shù)LEs)和最大路徑延遲(TPD)，測(cè)試結(jié)果見表1。

    表1表明，可逆轉(zhuǎn)碼器的數(shù)據(jù)位寬愈大轉(zhuǎn)碼器就越復(fù)雜，使用的單元模塊就越多，實(shí)現(xiàn)代價(jià)增大，路徑延遲也會(huì)增大，12 b可逆轉(zhuǎn)碼器的最高時(shí)鐘頻率只有50 MHz，而8 b的可逆轉(zhuǎn)碼器最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到75 MHz。

4 結(jié)語(yǔ)
    文中提出以3種功能模塊來(lái)構(gòu)造二-十進(jìn)制(BCD)可逆轉(zhuǎn)碼器的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)端口參數(shù)配置和模塊重構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)不同位數(shù)的數(shù)據(jù)在二進(jìn)制和十進(jìn)制(BCD)之間相互轉(zhuǎn)換。從而使基于FPGA的二-十進(jìn)制(BCD)轉(zhuǎn)碼器的構(gòu)建變得簡(jiǎn)單、靈活?？赡孓D(zhuǎn)碼器在EP2C35F672C6芯片上的驗(yàn)證結(jié)果也充分證明了這種設(shè)計(jì)思路的可行性；如果進(jìn)一步在轉(zhuǎn)碼器中插入寄存器而形成流水線結(jié)構(gòu)，那么轉(zhuǎn)碼器的運(yùn)算速度就會(huì)有更大提升。