版权申明：本文为博主窗户(Colin Cai)原创，欢迎转帖。如要转贴，必须注明原文网址 http://www.cnblogs.com/Colin-Cai/p/8185972.html 作者：窗户 QQ：6679072 E-mail：6679072@qq.com
首先，不要误解，我这里的计算器是指硬件的计算器，至于纯软件的计算程序，乃至有高级功能的，比如可以求解方程甚至可编程之类，我以后找个时间来说说。这两天看到有人在博问里问类似的问题，原问是想设计一个有着数码管、有着4x4键盘的硬件里的程序，不知道他具体想做什么，只是给了一些建议。联想到还有计算器这个东西，这应该很容易作为电子工程或者微电子专业的一个作业的形式出现。以前我招实习生的时候，似乎也曾经叫其实现过计算器。这里给出一点方案，以供参考。
硬件
框图如上，主要有4大模块，电源、控制、按键矩阵、数码管。
电源有多种方案，简单点可以用电池或者usb，这里不作详细讨论。
数码管采用共阴或共阳，每一位一个片选，选个6位的，一共14个引脚，都接在控制模块IO引脚上，注意控制信号电平，必要的时候阳级接上拉电阻。
键盘矩阵则是以下电路这样的东西，由一堆按键组成，键盘矩阵对外8个信号都接在控制模块的引脚上。另外，如果控制模块的引脚无法配置上拉或下拉电阻，那么PD0/PD1/PD2/PD3或者PD4/PD4/PD6/PD7/PD8就要接上拉电阻，这涉及到键盘矩阵的检测原理。
控制模块，就看想用什么编程了，如果想用单片机，可以选择经典的51单片机、AVR单片机、PIC单片机都可以，STM32当然可以，只是ARM可以做远比这个复杂的事情，没必要杀鸡用牛刀。当然，想学学ARM特别是STM32的编程，可以用STM32。PIC单片机和51单片机我只玩过汇编，不过现在单片机支持C语言都支持的蛮不错，建议还是C语言编程。
当然，也有想玩玩数字设计的，那么cpld对于这个需求是合适的，没必要上FPGA，可以用很早以前的，价格也便宜。对于资源多少没有把握的话，你也可以先做数字设计，再来选器件。
固件
硬件设计好了之后，需要设计固件。
如果控制模块选用的是单片机，那么我们一般是在裸机下编程，对于这几款单片机我似乎只玩过汇编，但现在都21世纪了，我想至少也应该用C语言来玩玩。
我们首先要明白数码管和键盘矩阵的原理：
数码管相对简单一些，一般来说，数码管每一位显示的数字都不一样。如我图中的共阴6位数码管，当要显示某位的时候，片选信号选择是拉低，其他片选拉高，然后再把要显示的数字所要点亮的管的引脚拉高，这样，要显示的这一位就显示出了数字，而其他的几位没有任何显示。然后快速切换，每一位都显示该显示的数字，那么根据视觉暂留，我们就看到了完整的显示。
键盘矩阵可能要复杂那么一些。首先，我们假设我们这里PD5、PD6、PD7、PD8都被我们接了上拉电阻，并且IO都为高阻接收状态，而不输出。我们这里只考虑一个键的识别，其实键盘矩阵也可以识别多个键。我们想一想，如果某个键按下去，比如左上角的S3按下之后，会发生什么。在按下去之前，PD1、PD2、PD3、PD4和PD5、PD6、PD7、PD8之间并不联通。但当S3按下去，PD1和PD4连在了一起。如果控制模块把PD4的输出射为高阻状态，那么如果PD0输入低电平，那么PD4读取出来的应该为低电平，否则为高电平。于是我们把PD1、PD2、PD3、PD4这4个引脚每次只其中一个输出低电平，其他三个输出高阻状态，每次都去读取PD5、PD6、PD7、PD8,那么就可以根据数值来判断到底是哪个按键被按下。注意，此处PD1、PD2、PD3、PD4这4个引脚每次只其中一个输出低电平的时候，其他三个不能输出高电平，而应该是高阻，否则，如果有两个按键被按下，则为短路状态！
另外要考虑按键的抖动问题，有多种解决方法，比如可以在判断到一次按键按下之后0.3秒内不重复判断按键被按下。
既然数码管的显示需要定时去切换显示位，而键盘矩阵也需要定时去切换输入，那么我们就可以设置一个定时器，把这两个硬件的处理都挂在同一个定时中断例程上作为驱动层，其逻辑使用上述的原理来实现，可以每次中断给一个循环计数作为状态，做一个moore机简单明了，至于0.3秒内不重复在交互里体现即可。程序中实现驱动层和应用层的层次分离，无论从调试硬件还是设计固件来说都是必要的，当然你也可以分的更细，比如HAL层。当然，非要在这里把所有的一切糅合在一起也是能够最终搞定的，但层次感差很多，并且一个初学者真的设计不好一个大的状态机。
设计一些全局变量用来应用层和驱动层交互显示数据和所按按键。
unsigned char num[6] ;//应用层写，驱动层读，用于6位数据的显示
unsigned char flag;//flag=0的时候，驱动层可以设置key，并把flag设为1;flag=1的时候，应用层可以读取key，并把flag设置为0
unsigned char key;//以代表是哪个键按下，分别给0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、+、-、*、/、=、退格编码为0~15
以上数据有冗余，在RAM极端受限的情况下，可以裁剪数据。
而至于计算器所要实现的最高6位加减乘除，很容易实现，根本不需要大数计算，结合显示和按键，构成应用层程序，想想一个计算器的功能，你应该很容易的画出流程图，不是吗？
如果作为学生，你选择的是cpld/fpga，我也支持你，我觉得一个可以自己独立做出来的学生应该还是不错的，但也和之前处理器的程序实现类似：分别设计键盘驱动模块、数码管驱动模块、计算模块，最后中间有一个核心模块以一个状态机形式存在，与其他三个模块都相连。当然，每个模块内部也可以分小模块，比如数码管模块里面最好把解码器单独实现一个小模块，而计算模块里加减乘除都是单独的小模块。
