硬件描述语言入门：Verilog写4位全加器连数码管图解说明

从加法器到数码管：用Verilog点亮第一个数字电路

你有没有试过，在FPGA开发板上拨动几个开关，然后眼前那个小小的七段数码管突然亮起一个数字——那一刻，仿佛是你亲手让机器“看懂”了计算？

这正是很多工程师第一次接触硬件描述语言（HDL）时最激动的瞬间。而实现它的核心，往往就是一个看似简单的项目：用Verilog写一个4位全加器，并把结果通过七段数码管显示出来。

别小看这个“入门级”项目。它不仅是学习Verilog的敲门砖，更是一次完整的数字系统设计实战——从组合逻辑构建、信号译码，到物理输出驱动，整个流程一气呵成。今天我们就来一步步拆解这个经典设计，让你真正理解每行代码背后发生了什么。

加法器不是“算数”，是“搭积木”

在软件里，a + b一行代码搞定；但在硬件世界里，每个比特都要“亲手”连接起来。我们先从最基础的单元开始：1位全加器。

全加器的本质：三个输入，两个输出

想象你要加两位二进制数A和B，还要考虑来自低位的进位Cin。这一位的结果有两个：
- 当前位的和：Sum = A ⊕ B ⊕ Cin
- 向高位的进位：Cout = (A & B) | (Cin & (A ^ B))

这两个公式就是布尔代数对“加法”的翻译。把它封装成模块，就成了我们的基本积木块：

module full_adder ( input a, cin, b, output sum, cout ); assign sum = a ^ b ^ cin; assign cout = (a & b) | (cin & (a ^ b)); endmodule

这段代码没有时钟、没有状态，纯粹靠门电路实时响应输入变化——典型的组合逻辑。你可以把它理解为一块已经焊好的IC芯片，插上去就能用。

把四个“1位”拼成“4位”：串行进位链

现在我们要把四个这样的“积木”连起来，形成能处理4'b1011 + 4'b0110这种运算的完整加法器。

关键在于进位传递：第0位的Cout接到第1位的Cin，依次类推。这种结构叫Ripple Carry Adder（波纹进位加法器），虽然速度受限于进位传播延迟，但胜在结构清晰、易于理解。

来看顶层模块怎么“搭”：

module adder_4bit ( input [3:0] a, b, input cin, output [3:0] sum, output cout ); wire c1, c2, c3; full_adder fa0 (.a(a[0]), .b(b[0]), .cin(cin), .sum(sum[0]), .cout(c1)); full_adder fa1 (.a(a[1]), .b(b[1]), .cin(c1), .sum(sum[1]), .cout(c2)); full_adder fa2 (.a(a[2]), .b(b[2]), .cin(c2), .sum(sum[2]), .cout(c3)); full_adder fa3 (.a(a[3]), .b(b[3]), .cin(c3), .sum(sum[3]), .cout(cout)); endmodule

注意这里的连接方式：
- 使用.name(signal)的命名端口映射，避免引脚接错；
- 内部进位线c1~c3是wire类型，自动由综合工具布线；
- 最终输出的cout可用于判断是否溢出（比如两数相加超过15）。

小贴士：如果你发现仿真时输出有毛刺（glitch），那很可能是因为进位信号逐级传递过程中出现了短暂的中间状态。这是组合逻辑的典型问题，解决办法之一是在输出端加一级寄存器打拍同步。

数码管不是“显示器”，是“灯光秀控制器”

有了结果sum[3:0]，接下来的问题是如何让人眼看得懂？这时候就得请出老朋友——七段数码管。

数码管的工作原理：点亮哪几段，就显示哪个数字

共阴极数码管的每个LED段（a~g）对应一个控制引脚。只要给某段送高电平，它就会亮。比如要显示“0”，就要点亮 a、b、c、d、e、f 段，g 不亮。

所以，我们需要一个“翻译官”：把4位二进制数转成7个控制信号。这就是BCD-to-7Segment 译码器。

module seg_7_decoder ( input [3:0] bin, output reg [6:0] seg // [6]=a, [5]=b, ..., [0]=g ); always @(*) begin case (bin) 4'h0: seg = 7'b1111110; 4'h1: seg = 7'b0110000; 4'h2: seg = 7'b1101101; 4'h3: seg = 7'b1111001; 4'h4: seg = 7'b0110011; 4'h5: seg = 7'b1011011; 4'h6: seg = 7'b1011111; 4'h7: seg = 7'b1110000; 4'h8: seg = 7'b1111111; 4'h9: seg = 7'b1111011; 4'ha: seg = 7'b1110111; 4'hb: seg = 7'b0011111; 4'hc: seg = 7'b1001110; 4'hd: seg = 7'b0111101; 4'he: seg = 7'b1001111; 4'hf: seg = 7'b1000111; default: seg = 7'b0000000; endcase end endmodule

几点关键说明：
-always @(*)表示这是一个纯组合逻辑块，输入变，输出立刻响应；
- 输出seg[6:0]对应的是 a~g 段，顺序不能错；
- 如果你的开发板用的是共阳极数码管，记得取反：~seg才能正确点亮。

整体系统搭建：从拨码开关到灯光亮起

现在三个核心部件都有了：
1. 输入源：拨码开关提供a[3:0]和b[3:0]
2. 运算核心：adder_4bit计算和
3. 显示驱动：seg_7_decoder控制数码管

把它们串起来，形成完整的数据流：

module top_level ( input [3:0] sw_a, sw_b, // 来自拨码开关 output [6:0] seg, // 数码管段控 output an // 位选，通常接固定低电平（单管） ); wire [3:0] sum; wire cout; // 实例化4位加法器 adder_4bit u_adder ( .a(sw_a), .b(sw_b), .cin(1'b0), // 初始无进位 .sum(sum), .cout(cout) ); // 实例化数码管译码器 seg_7_decoder u_seg ( .bin(sum), .seg(seg) ); // an通常是位选信号，单管常接地或拉低 assign an = 1'b0; endmodule

⚠️常见坑点提醒：
- FPGA引脚约束必须准确！确保seg[6:0]真正接到数码管的 a~g 段。
- 有些开发板数码管是动态扫描的，需要额外控制an（位选）信号。如果是多位数码管，还需加入扫描逻辑。
- 若显示乱码，优先检查seg输出极性是否与硬件匹配（共阴/共阳）。

调试技巧与工程思维升级

当你第一次烧录程序却发现数码管不亮或者显示错误时，别慌。以下是几个实用调试思路：

✅ 1. 分模块验证

先单独测试seg_7_decoder：强制输入4'h0，看是否输出7'b1111110，对应“0”的形状。

再测adder_4bit：用测试平台（testbench）模拟几种情况：

initial begin a = 4'b0011; b = 4'b0101; cin = 0; // 应得 6 #10; a = 4'b1111; b = 4'b0001; // 应得 0, cout=1 end

✅ 2. 防止组合逻辑毛刺

由于加法器和译码器都是组合逻辑，输入变化瞬间可能出现短暂错误输出。建议在关键路径加入寄存器锁存：

reg [3:0] sum_r; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) sum_r <= 4'd0; else sum_r <= sum; // 打一拍稳定输出 end

这样即使前端有毛刺，也不会传到显示端。

✅ 3. IO资源优化

如果IO紧张，可以考虑：
- 多个数码管采用动态扫描，复用段码线；
- 或者只显示0~9，超出部分统一显示“E”表示溢出。

为什么这个项目值得每一个初学者动手做一遍？

因为它不只是“写代码”，而是完成了一次从抽象逻辑到物理世界的跨越：

层级	内容
算法层	二进制加法规则
逻辑层	全加器结构、布尔表达式
实现层	Verilog模块化设计
物理层	引脚绑定、电平匹配、限流电阻
交互层	用户输入 → 实时反馈