首先，不要誤解，我這裡的計算器是指硬體的計算器，至於純軟體的計算程式，乃至有高級功能的，比如可以求解方程甚至可編程之類，我以後找個時間來說說。這兩天看到有人在博問里問類似的問題，原問是想設計一個有著數位管、有著4x4鍵盤的硬體里的程式，不知道他具體想做什麼，只是給了一些建議。聯想到還有計算器這個東西 ...
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首先，不要誤解，我這裡的計算器是指硬體的計算器，至於純軟體的計算程式，乃至有高級功能的，比如可以求解方程甚至可編程之類，我以後找個時間來說說。這兩天看到有人在博問里問類似的問題，原問是想設計一個有著數位管、有著4x4鍵盤的硬體里的程式，不知道他具體想做什麼，只是給了一些建議。聯想到還有計算器這個東西，這應該很容易作為電子工程或者微電子專業的一個作業的形式出現。以前我招實習生的時候，似乎也曾經叫其實現過計算器。這裡給出一點方案，以供參考。
硬體
框圖如上，主要有4大模塊，電源、控制、按鍵矩陣、數位管。
電源有多種方案，簡單點可以用電池或者usb，這裡不作詳細討論。
數位管採用共陰或共陽，每一位一個片選，選個6位的，一共14個引腳，都接在控制模塊IO引腳上，註意控制信號電平，必要的時候陽級接上拉電阻。
鍵盤矩陣則是以下電路這樣的東西，由一堆按鍵組成，鍵盤矩陣對外8個信號都接在控制模塊的引腳上。另外，如果控制模塊的引腳無法配置上拉或下拉電阻，那麼PD0/PD1/PD2/PD3或者PD4/PD4/PD6/PD7/PD8就要接上拉電阻，這涉及到鍵盤矩陣的檢測原理。
控制模塊，就看想用什麼編程了，如果想用單片機，可以選擇經典的51單片機、AVR單片機、PIC單片機都可以，STM32當然可以，只是ARM可以做遠比這個複雜的事情，沒必要殺雞用牛刀。當然，想學學ARM特別是STM32的編程，可以用STM32。PIC單片機和51單片機我只玩過彙編，不過現在單片機支持C語言都支持的蠻不錯，建議還是C語言編程。
當然，也有想玩玩數字設計的，那麼cpld對於這個需求是合適的，沒必要上FPGA，可以用很早以前的，價格也便宜。對於資源多少沒有把握的話，你也可以先做數字設計，再來選器件。
固件
硬體設計好了之後，需要設計固件。
如果控制模塊選用的是單片機，那麼我們一般是在裸機下編程，對於這幾款單片機我似乎只玩過彙編，但現在都21世紀了，我想至少也應該用C語言來玩玩。
我們首先要明白數位管和鍵盤矩陣的原理：
數位管相對簡單一些，一般來說，數位管每一位顯示的數字都不一樣。如我圖中的共陰6位數位管，當要顯示某位的時候，片選信號選擇是拉低，其他片選拉高，然後再把要顯示的數字所要點亮的管的引腳拉高，這樣，要顯示的這一位就顯示出了數字，而其他的幾位沒有任何顯示。然後快速切換，每一位都顯示該顯示的數字，那麼根據視覺暫留，我們就看到了完整的顯示。
鍵盤矩陣可能要複雜那麼一些。首先，我們假設我們這裡PD5、PD6、PD7、PD8都被我們接了上拉電阻，並且IO都為高阻接收狀態，而不輸出。我們這裡只考慮一個鍵的識別，其實鍵盤矩陣也可以識別多個鍵。我們想一想，如果某個鍵按下去，比如左上角的S3按下之後，會發生什麼。在按下去之前，PD1、PD2、PD3、PD4和PD5、PD6、PD7、PD8之間並不聯通。但當S3按下去，PD1和PD4連在了一起。如果控制模塊把PD4的輸出射為高阻狀態，那麼如果PD0輸入低電平，那麼PD4讀取出來的應該為低電平，否則為高電平。於是我們把PD1、PD2、PD3、PD4這4個引腳每次只其中一個輸出低電平，其他三個輸出高阻狀態，每次都去讀取PD5、PD6、PD7、PD8,那麼就可以根據數值來判斷到底是哪個按鍵被按下。註意，此處PD1、PD2、PD3、PD4這4個引腳每次只其中一個輸出低電平的時候，其他三個不能輸出高電平，而應該是高阻，否則，如果有兩個按鍵被按下，則為短路狀態！
另外要考慮按鍵的抖動問題，有多種解決方法，比如可以在判斷到一次按鍵按下之後0.3秒內不重覆判斷按鍵被按下。
既然數位管的顯示需要定時去切換顯示位，而鍵盤矩陣也需要定時去切換輸入，那麼我們就可以設置一個定時器，把這兩個硬體的處理都掛在同一個定時中斷常式上作為驅動層，其邏輯使用上述的原理來實現，可以每次中斷給一個迴圈計數作為狀態，做一個moore機簡單明瞭，至於0.3秒內不重覆在交互里體現即可。程式中實現驅動層和應用層的層次分離，無論從調試硬體還是設計固件來說都是必要的，當然你也可以分的更細，比如HAL層。當然，非要在這裡把所有的一切糅合在一起也是能夠最終搞定的，但層次感差很多，並且一個初學者真的設計不好一個大的狀態機。
設計一些全局變數用來應用層和驅動層交互顯示數據和所按按鍵。
unsigned char num[6] ;//應用層寫，驅動層讀，用於6位數據的顯示
unsigned char flag;//flag=0的時候，驅動層可以設置key，並把flag設為1;flag=1的時候，應用層可以讀取key，並把flag設置為0
unsigned char key;//以代表是哪個鍵按下，分別給0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、+、-、*、/、=、退格編碼為0~15
以上數據有冗餘，在RAM極端受限的情況下，可以裁剪數據。
而至於計算器所要實現的最高6位加減乘除，很容易實現，根本不需要大數計算，結合顯示和按鍵，構成應用層程式，想想一個計算器的功能，你應該很容易的畫出流程圖，不是嗎？
如果作為學生，你選擇的是cpld/fpga，我也支持你，我覺得一個可以自己獨立做出來的學生應該還是不錯的，但也和之前處理器的程式實現類似：分別設計鍵盤驅動模塊、數位管驅動模塊、計算模塊，最後中間有一個核心模塊以一個狀態機形式存在，與其他三個模塊都相連。當然，每個模塊內部也可以分小模塊，比如數位管模塊裡面最好把解碼器單獨實現一個小模塊，而計算模塊裡加減乘除都是單獨的小模塊。
