实验五含有控制信号的计数器VHDL设计

一、实验目的

学习计数器的设计、仿真和硬件测试，进一步熟悉VHDL设计技术。

二、实验仪器与器材

计算机1台，GW48-PK2S实验箱1台，QuartusⅡ6.0 1套。

三、实验

1. 基本命题

在QuartusⅡ上设计一个含计数使能、异步复位和计数值并行预置功能的4位加法计数器，并进行编辑、编译、综合、适配、仿真，给出其所有信号的时序仿真波形。

1) 实验原理

由数电知识可知，4位加法计数器由clk时钟，rst置位，en使能，cq输出，cout进位输出构成。

2) 程序设计

3) 编译仿真波形

图1 4位加法计数器波形

从图1分析可知，在每一个时钟上身沿到来的时候，4位加法计数器计数值加1（图中1），最大计数值为15，并进行进位输出（图中2）；当rst为高电平时，输出清零。

2. 扩展命题

在上述设计基础上，设计具有同步复位和计数值并行预置功能的8位加法计数器。并进行编辑、编译、综合、适配、仿真，给出其所有信号的时序仿真波形。

1) 实验原理

由原来的设计的两个4位加法计数器件组成一个8位加法计数器U0。设有两个4位加法计数器U1，U2。我们规定U1为U0的低位，U2为U0的高位。将U1的进位输出cout连接到U2的时钟输入clk；U1和U2的rst连接在一起作为总置位端brst；en也连接在一起,作为总使能端ben。U2的进位输出cout作为总进位输出bcout；

2) 程序设计

3) 编译仿真波形

图2.1 8位加法计数器从0计数到26

图2.2 8位加法计数器从26计数到50

8位加法计数器可以计数到196，但是后面的计数运行正常且与前面相似，不再截图。

4) 分析结果

从图中可以看出，实验的结果与预期相符。

四、实验设计思路

图5-1是一含计数使能、异步复位和计数值并行预置功能的4位加法计数器。如图所示，图中间是4位锁存器；rst是异步清信号，高电平有效；clk是锁存信号；D[3：0]是4位数据输入端。当ENA为‘1’时，多路选择器将加1器的输出值加载于锁存器的数据端；当ENA为‘0’时将“0000”加载于锁存器。

附图5-1 4位加法计数器的RTL电路图

设计提示：

若目标器件是EP1C6Q240C8，建议选实验电路模式5，用键8（PIO7）控制RST；用键7（PIO6）控制ENA；计数溢出COUT接发光管D8（PIO15）；输出Y是计数输出，接数码1（PIO19-PIO16，低位靠右）；时钟CLK接clock0，通过跳线选择4Hz信号。引脚锁定后进行编译、下载和硬件测试实验。

五、实验思考题

（1）是否可以不定义信号 CQI，而直接用输出端口信号完成加法运算，即： OUTY <= OUTY + 1 ？为什么？

假设可行，将cnt4中的实验程序修改为直接使用输出端口信号完成加法运算，如图3所示。经分析，程序中的输出cq是不可读的，另外，如果没有一个变量来保存程序的计数值，那么程序就相当于一个组合逻辑电路，不具备计数的功能。

图3直接使用输出端口信号完成加法运算

六、问题的总结

1、Cnt4中的不准确的进位输出，导致cnt8中的计数出错。
之前在cnt4判断进位的输出的语句如图3 所示。该语句检测当计数值为15的时候，就进行输出。当4位加法计数器的数量为一个的时候，可以正常工作。但是复用cnt4的时候，发现8位加法计数器cnt8的计数出现了如图4的错误。经分析，在cnt8中时，当低位cnt4的计数值为15，同时输出一个进位信号到高位cnt4，照成高位cnt4多计数了一次。由于在下一个时钟到来的时候，低位的cnt4才重新从0开始计数，因此会产生仿真结果与预期不符。只要我们将程序修改为如下方程序块1所示。

图3 进位输出语句

图3 Cnt8计数输出不准确

LIBRARYieee;

USEieee.std_logic_1164.ALL;

USEieee.std_logic_unsigned.ALL;

ENTITY cnt4 IS

PORT(clk, rst, en :INstd_logic; --clk时钟，rst置位，en使能

cq );--cq输出

cout :OUTstd_logic);                 --cout进位输出

END cnt4;

ARCHITECTURE behave OF cnt4 IS

BEGIN

PROCESS(clk,rst,en)

);

BEGIN

' ');-- 计算机异步复位

' and clk'eventTHEN      -- 检测时钟上升沿

' THEN                        -- 检测是否允许计数（同步使能）

'，计数值清零

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

THEN

' and clk'eventTHEN

cout '，输出进位信号

ENDIF;

';

ENDIF;

cq <= cqi;                                   -- 将计数值送往输出端口

ENDPROCESS;

END behave;

代码块1 修改后的cnt4代码