基于FPGA的可逆數(shù)制轉(zhuǎn)碼器設(shè)計

摘要：針對二-十進制(BCD)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的FPGA實現(xiàn)目標，基于模塊層次化的設(shè)計思想，提出了一種高效、易于重構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)碼器設(shè)計方案。并在FPGA(Altera DE2)開發(fā)板上成功進行了12 b可逆轉(zhuǎn)碼器的設(shè)計驗證，實驗結(jié)果表明該轉(zhuǎn)碼器通過端口參數(shù)配置就可以完全實現(xiàn)不同位數(shù)的二-十進制(BCD)數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換。
關(guān)鍵詞：二-十進制(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、運算、輸出過程中，輸入和輸出常用十進制形式表達；而在系統(tǒng)內(nèi)部采用二進制表示和處理數(shù)據(jù)則更為方便，因此在二進制和十進制數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換就是非常必要的。此外，數(shù)控機床、智能儀表、電子秤和數(shù)碼管等顯示設(shè)備也會頻繁地用到十進制(BCD)碼與二進制(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類實現(xiàn)方法，首先是采用軟件算法的實現(xiàn)方式，傳統(tǒng)的是用DAA調(diào)節(jié)指令實現(xiàn)，但效率較低，不能滿足一些實時應(yīng)用的要求。其次是純硬件運算實現(xiàn)方式，這種實現(xiàn)方式是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運算到硬件的直接映射，常采用邏輯運算和數(shù)據(jù)移位來實現(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)位寬進行轉(zhuǎn)換器的位數(shù)擴展和重構(gòu)。但是在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位數(shù)較多時，運算量會顯著增加、硬件實現(xiàn)代價也較大、路徑延遲也會增大、整個轉(zhuǎn)換器的時序控制也會變的比較復(fù)雜，也很難做到可逆轉(zhuǎn)碼運算。最后是基于數(shù)據(jù)查找表(Look Up Tabie，LUT)的實現(xiàn)方式，也就是先把全部或部分轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)列表存儲在存儲器中，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)換器運算速度快、算法直接簡單；但是會需要大量的存儲器；并且這種實現(xiàn)方法往往是針對具體的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位寬和單一轉(zhuǎn)換方向來定制存儲器(ROM)容量和存儲器初始化數(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，就根本無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)位數(shù)擴展和結(jié)構(gòu)重構(gòu)，所有的設(shè)計就必須重新開始。
基于FPGA的可逆數(shù)制轉(zhuǎn)碼器設(shè)計，充分利用FPGA的結(jié)構(gòu)特點和硬件描述語言(Veilog HDL)的抽象和靈活性；二-十進制(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)碼器簡單、高效和易于位數(shù)擴展(模塊化重構(gòu))。因此，文中就提出了一個高效、易于重構(gòu)的二-十進制(BCD)可逆轉(zhuǎn)碼器設(shè)計方案，通過端口參數(shù)配置和模塊重構(gòu)就能實現(xiàn)不同位數(shù)的數(shù)據(jù)在二進制和十進制(BCD)之間相互轉(zhuǎn)換，最后
在FPGA(DE2)開發(fā)板上成功地進行了設(shè)計驗證。

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進制數(shù)據(jù)，Y=(ym-1，ym-2，…，y0)q表示m位q進制數(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]。而在二進制編碼體系下，要把一個n位p進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為m位的q進制數(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)的二進制位寬，例如1位的八進制數(shù)據(jù)需要3 b二進制數(shù)表示；而1位的十進制數(shù)據(jù)需要4 b二進制數(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二進制數(shù)表示1位10進制數(shù)(0～9)。如果把n位二進制數(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位的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制(BCD)，根據(jù)式(3)算出輸出m位的十進制數(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 二-十進制可逆轉(zhuǎn)碼器設(shè)計
2．1 可逆轉(zhuǎn)碼器的層次化設(shè)計
在片上數(shù)字系統(tǒng)(SOPC)中實現(xiàn)二-十進制(BCD)碼轉(zhuǎn)換器，就要求設(shè)計者充分利用硬件(FPGA)的結(jié)構(gòu)特點和硬件描述語言(HDL)所提供的設(shè)計靈活性；更好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)碼器的簡單、高效和結(jié)構(gòu)易于擴展。為此，針對FPGA的結(jié)構(gòu)特點提出了以下設(shè)計思路：以4 b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換作為基本的可逆轉(zhuǎn)換單元來適應(yīng)FPGA結(jié)構(gòu)特點，而提高邏輯單元利用率、達到降低硬件代價的目的；利用Verilog HDL進行層次化設(shè)計描述，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)，這樣會在不增加實現(xiàn)代價的前提下，實現(xiàn)使用大的轉(zhuǎn)碼單元模塊來簡化轉(zhuǎn)碼器的結(jié)構(gòu)、方便轉(zhuǎn)碼器的位數(shù)擴展；這種設(shè)計方法就為二-十進制(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，這會讓每一個轉(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使用大模塊)；有效避免了單元模塊利用率不高的問題。