实验十 二进制转BCD码
一、实验设计目标
本文实现一个二进制转十进制的电路，8位拨码开关（SW7-SW0）作为一组8位二进制输入信号，程序将8位二进制输入转为3位十进制表示，经由数码管显示输出。
二、实验设计思路
在数字逻辑设计课程中，我们已经学过了BCD码的相关知识，它用4位二进制数来表示1位十进制数中的09，是二进制编码的十进制代码，常见的BCD码有8421BCD码，2421BCD码，5421BCD码，余3码以及格雷码等等。在这篇文章中，我们所采用的BCD码为8421BCD码，8421BCD码各位的权值为8、4、2、1，用00001001表示十进制数，其它几种BCD码编码方式在这里不过多赘述。
实现这样的一个效果，可以先大致的将电路分为二进制转化和数码管显示两个部分，框架如图10.1所示，本实验主要讲述二进制转化部分。
图10.1 二进制转BCD码动态显示框架
二进制转BCD码看起来最简单的方法是用除法运算来获得百位、十位、个位上的值，但实际上这种方式取模会占用过多资源，底层电路设计十分复杂，这告知我们选择合适的算法对于系统是有很大帮助的，因此通常使用加3移位法实现二进制转BCD码。
在这里简单介绍一下加3移位法的原理。我们知道，四位二进制大于15才进位，而8421BCD码是大于9就进位，若四位二进制大于9时进位，这样得到的就是15的BCD码，因此将大于9的四位二进制数加6就能得到其BCD码。对于大于四位的二进制数，通过左移，逢9加6进位，即可转换任意位的二进制数，比如说，对于5位二进制数，由高4位二进制数左移一位得到，那么将前4位得到的BCD码也左移一位，并重新判断低四位是否大于9，若大于9，则加6进位，即可得到5位二进制数对应的BCD码。
加3移位法相比与加6移位法在算法上的结果是等效的，但占用的资源更小，相比于加6移位法先移位，再判断低4位是否大于9，加3移位法是先判断低四位是否大于4，再进行移位。值得一提的是，加3移位法对于最后的低4位而言无需判断低4位是否大于4，因为已经没有移位操作了。
参考网上的一个将八位二进制数255，将其转为8421BCD码的例子给大家加以说明。
0 1111 1111; //原数
1 0000 0001; //左移一次
2 0000 0011; //左移二次
3 0000 0111; //左移三次,检查低四位>4?
3.1. 0000 1010; //大于4，加3进行调整
4 0001 0101; //左移四次,检查低四位>4?
4.1. 0001 1000; //大于4，加3进行调整
5 0011 0001; //左移五次
6 0110 0011; //左移六次,检查高四位>4?
6.1. 1001 0011; //大于4，加3进行调整
7 1 0010 0111; //左移七次,检查低四位>4?
7.1. 1 0010 1010; //大于4，加3进行调整
8 10 0101 0101; //左移八次(得到BCD码255)
理解了算法，接下来就是如何实现算法。实现同样功能有不同的算法，同样的，实现算法也有各式各样的电路。如何让实现的电路简单有效，就是FPGA工程师的价值所在。直白的看来，实现加3移位法，需要通过寄存器进行若干次的移位，并判断检查是否需要进位，这样“简单粗暴”实现的电路，完成一组数据的转化需要经过多个时钟周期，电路实际上也较为复杂。在这里，针对8位二进制数，我们实现的加3移位法电路结构如图10.2所示。
图10.2 加3移位法电路
在这个电路中，Adder模块实现输入大于4就加3进位的功能，再通过人为的“移位”操作，就实现了加3移位法。具体实现过程可以理解为，首先，0和高三位（a7、a6、a5）的数据构成左移三次后的低四位二进制数据，经过Adder1模块后，得到调整后的数据；调整后数据的低三位和a4构成左移四次后的低四位数据，这四位数据作为Adder2模块的输入，就实现了“移位”，再通过Adder2进行调整数据即可；Adder3部分与Adder2部分一致，实现了左移五次的数据修正；这时，经过Adder1、Adder2和Adder3处理后的数据与a2构成了左移六次的数据，这七位有效数据的高三位可能会大于4，因而高四位和低四位都需要进行数据的调整，也就是分别通过Adder4和Adder5来修正；Adder6和Adder7与Adder4和Adder5一致，实现左移七位后的数据调整；最后，在高位填0并与最低位的a0构成最终左移八次的十二位数据。
Adder模块的功能为当输入大于4时，加3调整，当输入小于等于4时，保持原值，其电路结构如下，通过比较器，多路选择器和加法器实现功能。图10.3是Adder模块的功能框图。
图10.3 Adder模块功能图
数码管动态显示模块和开关的使用方法可以参考之前的实验。数码管动态显示框图如图10.4所示。
图10.4 数码管动态显示框图
三、功能模块图与输入输出引脚说明
该工程包含顶层模块binary2bcdlight与底层模块binary2bcd、adder3、和Digitron_NumDisplay_module。整个工程的模块功能图参考图10.4即可。下面介绍一下顶层模块各主要引脚的功能：
（1）clk：50MHz的基准时钟信号输入。
（2）SW：开关输入，8个数码管的状态值最终显示在数码管上。
（3）Digitron_Out：七段数码管的显示输出，共有八位总线。
（4）DigitronCS_Out：数码管的片选信号，共有四位总线。
四、程序设计
下面给出了二进制转BCD码模块的参考代码。通过七个adder3模块以及人为的移位实现转换。
10.5 二进制转BCD码模块
下面是adder3模块的代码，通过case语句实现功能。
10.6 加三方法模块
接下来是动态显示的各部分代码，与之前实验相同不赘述。
五、FPGA管脚配置
下面是Anlogic FPGA的IO Constraint图，CLK时钟输入信号、数码管片选信号DigitronCS_Out和数码管输出显示信号Digitron_Out的配置方式与之前相同， SW0-SW7控制数码管显示的数据。相应引脚连接信息已经在第一篇的1.3节中做过详细介绍，这里就不再赘述。
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[0] } { LOCATION = C9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[1] } { LOCATION = B6; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[2] } { LOCATION = A5; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[3] } { LOCATION = A3; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[0] } { LOCATION = A4; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[1] } { LOCATION = A6; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[2] } { LOCATION = B8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[3] } { LOCATION = E8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[4] } { LOCATION = A7; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[5] } { LOCATION = B5; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[6] } { LOCATION = A8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[7] } { LOCATION = C8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { clk } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[0] } { LOCATION = A9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[1] } { LOCATION = A10; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[2] } { LOCATION = B10; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[3] } { LOCATION = A11; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[4] } { LOCATION = A12; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[5] } { LOCATION = B12; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[6] } { LOCATION = A13; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { SW[7] } { LOCATION = A14; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
六、实验结果
当把开关拨到不同的状态，数码管会显示不同的二进制转成的数据。