异步清零和同步时钟使能的4位加法计数器 实验报告

实验五含异步清零和同步使能4位加法计数器的VHDL设计一、实验目的1掌握计数器的VHDL设计方法；2掌握异步复位和同步复位和使能的概念；3掌握寄存器性能的分析方法（即分析芯片所能达到的最高时钟频率）。

二、实验内容1异步复位4位加法计数器的设计；2同步复位4位加法计数器的设计。

3异步清0和同步时钟使能的4位加法计数器三、实验原理复位：给计数器一个初值叫复位，如果所给初值为0，则称复位为清零。

异步复位：复位跟时钟无关，只要复位信号的复位电平出现，计数器立即复位，如图5－1所示；同步复位：复位跟时钟有关，当复位信号的复位电平出现时，计数器并不立即复位，而是要等到时钟沿到来时才复位，如图5－2所示。

异步复位4位加法计数器的VHDL设计代码见教材P122-P123，仿真波形如图5－3所示。

同步复位4位加法计数器的VHDL部分代码如下，仿真波形如图5－4所示。

.图5－1异步复位图5－2同步复位图5－3异步复位计数器仿真波形图5－4同步复位计数器仿真波形四、实验步骤（一）异步复位4位加法计数器的设计1建立一个设计工程，工程名为CNT4B；2打开文本编辑器，建立一个VHDL设计文件，其VHDL代码见教材P164中的例6－20，文件名存为CNT4B.VHD。

注意文件的扩展名要选为.vhd，而且要求工程名、文件名和设计实体名必须相同。

3选器件：ACEX1K，EP1K30TC144-3（旧）或Cyclone，EP3C40Q240C8目标芯片。

4编译；5建立波形文件，然后保存，其文件名必须与工程名一致；【波形设置：①设置仿真时间为10us:②设置输入信号的波形：时钟周期设置为200ns，其他输入信号的波形设置参看图6－3。

】6仿真，观察输出波形是否正确；7时序分析：分析芯片所能达到的最高时钟频率。

【打开时序分析器，然后执行菜单命令：analysis/register performance/start，可以看到最高时钟频率为100.00MHZ】（二）同步复位4位加法计数器的设计8建立一个设计工程，工程名为CNT4B_SYS；9打开文本编辑器，建立一个VHDL设计文件，其VHDL代码参看异步计数器代码和实验原理中的参考代码，文件名存为CNT4B_SYS.VHD。

实验二含异步清0和同步使能的4位加法计数器一、实验目的：学习时序电路的设计、仿真和硬件测试，进一步熟悉VHDL技术。

二、原理说明：图2.1是一含计数使能、异步复位和计数值并行预置功能4位加法计数器，例2.1是其VHDL描述。

由图2-1所示，4位锁存器；rst是异步清0信号，高电平有效；clk是锁存信号；D[3..0]是4位数据输入端。

ENA是使能信号，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。

图2-1含计数使能、异步复位和计数值并行预置功能4位加法计数器三、实验内容：1、在QuartusII上对例2-1进行编辑、编译、综合、适配、仿真。

说明例中各语句的作用，详细描述示例的功能特点，给出其所有信号的时序仿真波形。

【例2-1】module CNT4B(CLK,RST,ENA,CLK_1,RST_1,ENA_1,OUTY,COUT);input CLK,RST,ENA;output CLK_1,RST_1,ENA_1;output[3:0] OUTY;output COUT;reg[3:0] OUTY;reg COUT;wire CLK_1;wire RST_1;wire ENA_1;assign CLK_1 = CLK;assign RST_1 = RST;assign ENA_1 = ENA;always@(posedge CLK or negedge RST)beginif(!RST)beginOUTY<=4'b0000;COUT<=1'b0;endelseif(ENA)beginOUTY<=OUTY+1;COUT<=OUTY[0] & OUTY[1] & OUTY[2] & OUTY[3];endendendmodule2保存计数器程序为CNT4B.vhd，进行功能仿真、全编译、时序仿真，如出现错误请按照错误提示进行修改，保证设计的正确性3锁定引脚4下载采用JATG方式进行下载，通过ENA,CLK,RST输入，观察的LEDR[0]，LEDR[7]，LEDR[8]，LEDR[9]，LEDR[10]，LEDG[0]，LEDG[1]，LEDG[8]亮灭验证计数器的逻辑功能。

实验三含异步清零和同步使能的加法计数器一、实验目的1、了解二进制计数器的工作原理。

2、进一步熟悉QUARTUSII软件的使用方法和VHDL输入。

3、时钟在编程过程中的作用。

二、实验原理二进制计数器中应用最多、功能最全的计数器之一，含异步清零和同步使能的加法计数器的具体工作过程如下：在时钟上升沿的情况下，检测使能端是否允许计数，如果允许计数（定义使能端高电平有效）则开始计数，否则一直检测使能端信号。

在计数过程中再检测复位信号是否有效（低电平有效），当复位信号起作用时，使计数值清零，继续进行检测和计数。

其工作时序如图3-1所示：图3-1 计数器的工作时序三、实验内容本实验要求完成的任务是在时钟信号的作用下，通过使能端和复位信号来完成加法计数器的计数。

实验中时钟信号使用数字时钟源模块的1HZ信号，用一位拨动开关K1表示使能端信号，用复位开关S1表示复位信号，用LED模块的LED1～LED11来表示计数的二进制结果。

实验LED亮表示对应的位为‘1’，LED灭表示对应的位为‘0’。

通过输入不同的值模拟计数器的工作时序，观察计数的结果。

实验箱中的拨动开关、与FPGA的接口电路，LED灯与FPGA的接口电路以及拨动开关、LED与FPGA的管脚连接在实验一中都做了详细说明，这里不在赘述。

数字时钟信号模块的电路原理如图3-2所示，表3-1是其时钟输出与FPGA的管脚连接表。

图3-2 数字时钟信号模块电路原理表3-1 数字时钟输出与FPGA的管脚连接表按键开关模块的电路原理如图3-3所示，表3-2是按键开关的输出与FPGA的管脚连接表。

图3-3 按键开关模块电路原理信号名称FPGA I/O名称核心板接口管脚号功能说明S[0] Pin_AF5 JP1_91 ‘S1’SwitchS[1]Pin_AH6 JP1_93 ‘S2’SwitchS[2]Pin_AH7 JP1_95 ‘S3’SwitchS[3]Pin_AH8 JP1_97 ‘S4’SwitchS[4]Pin_AG10 JP1_99 ‘S5’SwitchS[5]Pin_AG11 JP1_101 ‘S6’SwitchS[6]Pin_AH14 JP1_90 ‘S7’SwitchS[7] Pin_AG7 JP1_92 ‘S8’SwitchS[8]Pin_AG8 JP1_94 ‘S9’SwitchS[9]Pin_AF9 JP1_96 ‘S10’SwitchS[10]Pin_AH10 JP1_98 ‘S11’SwitchS[11] Pin_AH11 JP1_100 ‘S12’Switch表3-2 按键开关与FPGA的管脚连接表四、实验步骤1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。

4位加法计数器一、实验目的（1）学习时序电路的VHDL描述方法。

（2）掌握时序进程中同步、异步控制信号的设计。

（3）熟悉EDA的仿真分析和硬件测试技术。

二、实验原理设计一个含计数使能、异步复位和并行预置功能的4位加法计数器，RST是异步复位信号，高电平有效；CLK是时钟信号；当使能信号ENA为1时，加法计数，COUT为计数进位输出，OUTY为计数输出。

VHDL参考程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity CNT4B isport(clk:in std_logic;rst:in std_logic;ena:in std_logic;outy:out std_logic_vector(3 downto 0);cout:out std_logic);end CNT4B;architecture BEHA V of CNT4B issignal CQI:std_logic_vector(3 downto 0);beginP_REG:process(clk,rst,ena)beginif rst = '1' then CQI <= "0000";elsif clk'event and clk = '1' thenif ena = '1' then CQI <= CQI + 1;end if;end if;outy <= CQI;end process P_REG;cout <= CQI(0) and CQI(1) and CQI(2) and CQI(3);end BEHA V;三、实验任务（1）编写4位二进制加法计数器的VHDL程序。

（2）在ispDsignEXPERT System或者Quartu sⅡ上对加法计数器进行仿真。

四位加法器实验报告四位加法器实验报告一、引言在数字电路的学习中，加法器是一个非常重要的基础电路。

本次实验旨在通过设计和实现四位加法器，加深对数字电路原理的理解，并掌握加法器的设计方法和实现过程。

二、实验目的1. 理解加法器的原理和工作方式；2. 掌握加法器的设计方法和实现过程；3. 学会使用逻辑门电路和触发器构建加法器；4. 验证加法器的正确性和稳定性。

三、实验原理1. 半加器半加器是最基本的加法器，用于实现两个一位二进制数的相加。

其逻辑电路如下：（插入半加器电路图）2. 全加器全加器是由两个半加器和一个或门构成，用于实现三个一位二进制数的相加。

其逻辑电路如下：（插入全加器电路图）3. 四位加法器四位加法器是由四个全加器和一些其他逻辑门组成，用于实现四个四位二进制数的相加。

其逻辑电路如下：（插入四位加法器电路图）四、实验步骤1. 按照电路图连接逻辑门和触发器，搭建四位加法器电路；2. 使用开关设置输入数据，观察输出结果；3. 验证加法器的正确性，将不同的输入数据相加，并手动计算结果进行对比；4. 测试加法器的稳定性，观察输出结果是否随着时间稳定。

五、实验结果与分析通过实验，我们成功搭建了四位加法器电路，并进行了多组数据的测试。

实验结果表明，加法器能够正确地进行四个四位二进制数的相加，并输出正确的结果。

同时，实验中观察到输出结果在一段时间后稳定下来，验证了加法器的稳定性。

六、实验总结本次实验通过设计和实现四位加法器，加深了对数字电路原理的理解，并掌握了加法器的设计方法和实现过程。

通过实验验证了加法器的正确性和稳定性，提高了实际操作能力和解决问题的能力。

同时，实验中还发现了一些问题，比如电路连接错误、输入数据设置错误等，这些问题在实验中及时发现和解决，也对实验结果的准确性起到了保障作用。

在今后的学习中，我们将进一步深入研究数字电路的原理和应用，不断提高自己的实验技能和创新能力。

希望通过这次实验，能够为我们的学习和未来的工作打下坚实的基础。

本科实验报告课程名称：EDA技术与FPGA应用设计实验项目：4位二进制加法计数器实验地点：跨越机房专业班级：学号：学生姓名：指导教师：2012年6 月20 日一、实验目的：1．学习时序电路的VHDL描述方法。

2．掌握时序进程中同步、异步控制信号的设计。

3．熟悉EDA的仿真分析和硬件测试技术。

二、实验原理：设计一个含计数使能、异步复位和并行预置功能的4位加法计数器，RST是异步复位信号，高电平有效；CLK是时钟信号；当使能信号ENA为“1”'时，加法计数，COUT为计数进位输出，OUTY为计数输出。

三、实验内容：1．编写4位二进制加法计数器的VHDL程序。

2．在ispDesignEXPERT System上对编码器进行仿真。

3．将输入引脚连接到拨码开关，时钟输入锁定到相应频率的时钟信号，输出连接到发光二极管，下载后在实验板上验证其功能，记录实验结果。

四、实验程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALLUSE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALLENTITY CNT4B ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC；RST:IN STG_LOGIC;ENA:IN STD_LOGIC;OUTY:OUT STD_LODGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);COUT:OUT STD_LOGIC);END CNT4B;ARCHITECTURE BEHAV OF CNT4B ISSIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINP_REG: PROCESS(CLK,RST,ENA)BEGINIF RST=’1’THEN CQI<=”0000”;ELSIF CLK’EVENT AND CLK=’1’THENIF ENA= ’1’THEN CQI<=CQI+1;ENG IF;END IF;OUTY <= CQI;END PROCESS P_REG;COUT<= CQI(0) AND CQI(1) AND CQI(2) AND CQI(3); END BEHAV;五、仿真结果：1.时序图：2.功能图：六、心得体会：通过本实验，让我对VHDL编程有了一定的了解和认识，让我初步学习了VHDL的编写及调试过程，实验中有错误产生，但是经过细心的改正，解决了问题，希望下次实验能有更大的提高。

含异步清零和同步时钟使能的4位加法器宁波⼯程学院电信学院ＥＤＡ系统设计与实践实验报告实验名称含异步清零和同步时钟使能的4位加法器班级电科（系统设计）08-2 姓名学号 0840*******组员姓名实验⽇期2011-5-1２指导⽼师实验四含异步清零和同步时钟使能的4位加法器⼀．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的编程⽅法。

⼆．实验内容本实验的内容是Quartus 11建⽴⼀个含计数使能、异步复位的4位加分计数器，SmartSOPC试验箱上进⾏硬件测试，由KEY1控制技术使能端ena并由LED指⽰，KEY2控制复位端rst并由LED2指⽰。

计数值由数码管指⽰。

三．实验原理Rst是异步清零信号，⾼电平有效。

Ema为是能端，能开始与暂停程序，当ena为0时，能所存信号。

四．实验步骤（1）破解Quartus 11;（2）建⽴⼯程：启动Quartus 11，建⽴空⽩⼯程。

命名为giui;（3）创建源程序⽂件：新建VHDL源程序⽂件giui，输⼊程序代码并保存，进⾏编译，若在编译过程中发现错误，则找出并更正，直⾄编译成功。

（4）编译并运⾏：编译并运⾏程序或者原理图，编译⽆误后，进⾏引脚锁定;（5）外部连接⽅式跟第2节相似。

五．实验程序⼀．在⼀个数码管上显⽰0~Ｆlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity giui isport(clk48:in std_logic;key_2bit:in std_logic;dig_4bit:out std_logic_vector(3 downto 0);seg:out std_logic_vector(7 downto 0));end giui;architecture m1 of giui issignal num1:std_logic_vector(3 downto 0);signal cnt:std_logic_vector(23 downto 0);signal t: std_logic;signal q:std_logic;beginfre:process(clk48,cnt)beginif clk48'event and clk48='1' thencnt<=cnt+1;end if;q<=cnt(23);end process fre;coun:process(q)beginif q'event and q='1' thenif t='1' then num1<="0000";elsenum1<=num1+1;end if;end if;end process;SEG<= "11000000" when num1="0000" else "11111001" when num1="0001" else "10100100" when num1="0010" else"10110000" when num1="0011" else"10011001" when num1="0100" else"10010010" when num1="0101" else"10000010" when num1="0110" else"11111000" when num1="0111" else"10000000" when num1="1000" else"10010000" when num1="1001" else"10001000" when num1="1010" else"10000011" when num1="1011" else"01000110" when num1="1100" else"10100001" when num1="1101" else"10000110" when num1="1110" else"11111111";dig_4bit<="1110" when t='1' else"1111" when t='0';end m1;⼆．4位加法器Library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity sun_adder isport(clk:in std_logic;key:in std_logic;led1:out std_logic;dig:out std_logic_vector(3 downto 0);seg:out std_logic_vector(7 downto 0)); end sun_adder;architecture a of sun_adder issignal tmp:std_logic_vector(23 downto 0); signal tmp1:std_logic_vector(10 downto 0); signal address,pp:std_logic_vector(3 downto 0); signal p:std_logic_vector(1 downto 0);signal tt,t,q,q1: std_logic;signal num1,num2,num3,num4:std_logic_vector(3 downto 0);beginprocess(clk)beginif clk'event and clk='1' then tmp<=tmp+1;tmp1<=tmp1+1;end if;end process;q<=tmp(23);q1<=tmp1(10);process(q1)beginif q1'event and q1='1' then case p iswhen "00"=>pp<="1110";when "01"=>pp<="1101";when "10"=>pp<="1011";when others=>pp<="0111";end case;dig<=pp;case pp iswhen "1110"=>address<=num1;when "1101"=>address<=num2;when "1011"=>address<=num3;when others=>address<=num4;end case;p<=p+1;end if;end process;process(key)beginIf key'event and key='1' thent<= not t;end if;end process;process(q)beginif q'event and q='1' thenif t='1' then num1<="0000";num2<="0000";num3<="0000";num4<="0000";else num1<=num1+1;if num1="1001" then num1<="0000";tt<='1';if num2="1001" then num2<="0000";if num3="1001" then num3<="0000";if num4="1001" then num4<="0000";else num4<=num4+1; end if;else num3<=num3+1; end if;else num2<=num2+1; `1212212345123451233123`12341234123412341312end if; else num1<=num1+1;tt<='0'; end if; end if;end if;end process;seg<= "11000000" when address="0000" else"11111001" when address="0001" else"10100100" when address="0010" else"10110000" when address="0011" else"10011001" when address="0100" else"10010010" when address="0101" else"10000010" when address="0110" else "11111000" when address="0111" else "10000000" when address="1000" else "10010000" when address="1001" else "11111111";led1<='0' when tt='1' else'1' when tt='0';end a;六．实验现象。

附表1：广州大学学生实验报告开课学院及实验室：物理与电子工程学院-电子楼317室2016年 4 月21 日学院物电年级、专业、班姓名Jason.P 学号实验课程名称EDA技术实验成绩实验项目名称设计含异步清零和同步时钟使能的加法计数器指导教师一、实验目的：学习计数器的设计、仿真和硬件测试，进一步熟悉VerilogHDL设计技术。

二、实验内容：含异步清0和同步时钟使能的4位加法器（1）实验原理：上图是一含计数使能、异步复位的4位加法计数器，书中例3-15是其VerilogHDL描述。

由图2-1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’时保持上一次的输出。

（2）实验步骤：（2）-1按照发给大家的文件“Quartus II 9.0基本设计流程-VerilogHDL.ppt”所讲述的步骤，在QuartusII上对例3-15（第四版）（第五版p124例5-15）进行编辑、编译、综合、适配、仿真。

说明例2-1各语句的作用，详细描述示例的功能特点，给出其所有信号的时序仿真波形。

（2）-2引脚锁定以及硬件下载测试：若目标器件是EP3C40Q240C8N，建议选实验电路模式5，用键8（PIO7）控制RST；用键7控制ENA；计数溢出COUT接发光管D8；OUTY是计数输出接数码1；时钟CLK接clock2，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。

将实验过程和实验结果写进实验报告。

三、实验HDL描述：module CNT10(CLK,RST,EN,LOAD,COUT,DOUT,DATA)input CLK,EN,RST,LOAD; //定义输入信号input[3:0] DATA; //定义4位的并行加载数据DATAoutput[3:0] DOUT; //定义4位的计数输出数据DOUToutput COUT; //定义进位输出信号COUTreg[3:0] Q1; //定义4位的寄存器型中间变量Q1reg COUT;assign DOUT = Q1; //将内部寄存器的计数结果输出至DOUTalways @(posedge CLK or negedge RST) //时序过程beginif(!RST) Q1 <= 0; //RST=0时，对内部寄存器单元异步清0else if(EN)begin //同步使能EN=1，则允许加载或计数if(!LOAD) Q1 <= DATA; //当LOAD=0，向内部寄存器加载数据else if(Q1<9) Q1 <=Q1+1; //当Q1小于9时，允许累加else Q1 <=4'b0000; //否则一个时钟后清零返回初值endendalways @(Q1) //组合过程if (Q1==4'h9) COUT = 1'b1;else COUT = 1'b0;endmodule四、仿真结果：图1图2由图1的时序波形可见，当EN=0时，DOUT的输出数据3保持了一段时间；当EN=1，且在时钟CLK的上升沿时间范围LOAD=0时，4位输入数据DATA=0被加载，在LOAD=1后作为计数器的计数初值（图1）；当EN=1，LOAD=1时，输入的数据不被加载；RST在任意时刻均有效，即使CLK非上升沿时，计数也能即刻清0（图2：计数到3后清0）；当计数到9时，COUT输出进位1，如图2所示。