基于FPGA层次化设计构成全加器

在上一节半加器中，介绍了全加器可看作两个半加器和一个或门组成。

首先半加器是A+B构成了{C，S}。由于全加器多了一个低位的进位，就是将{C,S}再加上Ci-1。此时再使用一个半加器将S与Ci-1相加，结果的低位就是全加器的低位Si。全加器的高位Ci来自于两个半加器的高位，如果有一个高位为1，结果就为1。

设计规划

本例中将采用3个按键作为输入in1,in2和进位信号cin，并采用两个LED灯作为信号输出count和sum。根据上一节中全加器真值表，可以画出波形图：

编写代码

module full_adder
(
input wire in1 , 
input wire in2 , 
input wire cin , 
output wire sum , 
output wire cout 
);


 //wire define
 wire h0_sum ;
 wire h0_cout;
 wire h1_cout;


 //------------------------half_adder_inst0------------------------
 half_adder half_adder_inst0
 (
 .in1 (in1 ), 
 .in2 (in2 ), 
 .sum (h0_sum ), 
 .cout (h0_cout) 
 );


 //------------------------half_adder_inst1------------------------
 half_adder half_adder_inst1
 (
 .in1 (h0_sum ), 
 .in2 (cin ), 
 .sum (sum ), 
 .cout (h1_cout) 
 );


 assign cout = h0_cout|h1_cout;
 endmodule

还记得FPGA从入门到精通（一）中的移位寄存器的实例化练习吗？以module模块名（输入，输出）开头，以endmodule结尾。

上一节中已经封装好了half_adder函数，内部的逻辑就不用再次写了，只需要将外部端口和full_adder的端口对应好就可以直接调用。这就是verilog的方便之处，否则完成这个程序，需要将半加器的代码写两次。

再上面的全加器结构图中可以看到端口的对应，其中除了全加器的5个端口外，还需要引入三根连线。需要定义wire变量h0_count，h1_count和h0_sum。

下面完成两次实例化，上一节中的半加器有in1,in2,cout,sum四个端口，第一个半加器分别对应着全加器的输入端口in1,in2，h0_count,h0_sum，第二个半加器分别对应着上一个半加器的结果的低位h0_sum和低位进位cin,h1_count1,全加器的结果的低位sum。全加器的结果的高位count是h0_count和h1_count的或。

现在将.v文件综合一定会报错，因为还没有将half_adder模块添加进来。所以调用时找不到半加器的函数。因此需要将half_adder.v复制到文件夹中并添加到Files中：

看RTL视图，两个half_adder模块是可以展开的：

编写testbench

`timescale 1ns/1ns
module tb_full_adder();
reg in1;
reg in2;
reg cin;
wire sum ;
wire cout;


 initial begin
 in1 <= 1'b0;
 in2 <= 1'b0;
 cin <= 1'b0;
 end


 always #10 in1 <= {$random} % 2;
 always #10 in2 <= {$random} % 2;
 always #10 cin <= {$random} % 2;


 //------------------------------------------------------------
 initial begin
 $timeformat(-9, 0, "ns", 6);
 $monitor("@time %t:in1=%b in2=%b cin=%b sum=%b cout=%b",$time,in1,in2,cin,sum,cout);
 end
 //------------------------------------------------------------


 //---------------full_adder_inst------------------
 full_adder full_adder_inst(
 .in1 (in1), 
 .in2 (in2), 
 .cin (cin), 
 .sum (sum), 
 .cout (cout) 
 );


 endmodule

这里testbench依然是先声明变量，其中输入是reg类型，输出是wire类型。初始化令变量都为0，延时10ns给输入随机赋值0或1，然后实例化将tb_full_adder模块和full_adder模块端口进行连接，就可以观察波形。

需要注意的是！！！在本例中引入了打印模块，可以直观看到随机输入对应输出的真值表。

$timeformat(units_number, precision_number, suffix_string, minimum_field_wdith);

timefomat的语法：

第一个参数units_number表示打印的时间值的单位，取0 到-15 之间的整数值：0 表示秒，-3 表示毫秒，-6 表示微秒，-9 表示纳秒， -12 表示皮秒， -15 表示飞秒

第二个参数precision_number表示打印时间值时，小数点后保留的位数。

第三个参数suffix_string在时间值后面打印时间单位。其默认值为空字符串，如果用ns作为单位可以打印ns。

第四个参数MinFieldWidth 是时间值与单位字符串的最小长度，不足这个长度，则在字符串之前补空格。其默认值为20。

monitor的语法：

$monitor (“format_string”, parameter1, parameter2, … );

当在monitor调用时对多个变量进行监控，当monitor监控的变量中任何一个发生变化时，将会打印出当前仿真时刻的值；如果$monitor监控的所有变量在某一时刻均不改变，将不会打印任何信息。本例中会打印出时间和5个端口值。

对比波形

当端口多了之后，看波形相对不直观了，这里可以通过观察我们刚才打印的数据进行判断。通过View-transcript可以观察transcript窗口：

表格的方式相对直观多了，且输出和预期一致。

分配管脚

全编译后分配引脚，这里的按键和LED灯管脚我们已经非常熟悉了。在location这一栏分配引脚，不要和fitterlocation弄混了。

现在cin,in1,in2对应S0，S1，S2，cout对应LED0，sum对应LED1。那么cin,in1,in2按下去表示为0，点亮的LED表示对应为输出为低电平。都不按下去时，应该都熄灭，按下去一个时，LED0亮，按下两个时，LED1亮，按下三个时，两个LED同时亮。

全编译后上板验证

一个都不按下时，都不亮

按下一个时，LED0亮

按下两个时，LED1亮

全部按下时，两个都亮

组合逻辑电路的实例就结束了，后面是简单的时序逻辑电路实例。