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实验三 设计含异步清0和同步时钟使能的加法计数器,(1) 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。(2) 实验原理：实验程序为例3-22，,(3) 实验内容1：在Quartus上对例3-22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。(4) 实验内容2：引脚锁定以及硬件下载测试，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。(5) 实验报告：将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试实验结果写进实验报告。,LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT10 IS PORT (CLK,RST,EN : IN STD_LOGIC; CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); COUT : OUT STD_LOGIC ); END CNT10;ARCHITECTURE behav OF CNT10 ISBEGIN PROCESS(CLK, RST, EN) VARIABLE CQI : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN IF RST = 1 THEN CQI := (OTHERS =0) ; -计数器异步复位 ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN -检测时钟上升沿 IF EN = 1 THEN -检测是否允许计数（同步使能） IF CQI 0); -大于9，计数值清零 END IF; END IF; END IF; IF CQI = 9 THEN COUT = 1; -计数大于9，输出进位信号 ELSE COUT = 0; END IF; CQ = CQI; -将计数值向端口输出 END PROCESS;END behav;,实验四、7段数码显示译码器设计,(1) 实验目的：学习7段数码显示译码器设计；学习VHDL的CASE语句应用及多层次设计方法。 (2) 实验原理：7段数码是纯组合电路，通常的小规模专用IC，如74或4000系列的器件只能作十进制BCD码译码，然而数字系统中的数据处理和运算都是2进制的，所以输出表达都是16进制的，为了满足16进制数的译码显示，最方便的方法就是利用译码程序在FPGA/CPLD中来实现。,【例5-18】 LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY DECL7S IS PORT ( A : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); LED7S : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0) ) ; END ; ARCHITECTURE one OF DECL7S IS BEGIN PROCESS( A ) BEGIN CASE A IS WHEN 0000 = LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S LED7S NULL ; END CASE ; END PROCESS ; END ;,图5-18共阴数码管及其电路,例5-18作为7段译码器，输出信号LED7S的7位分别接如图5-18数码管的7个段，高位在左，低位在右。例如当LED7S输出为“1101101”时，数码管的7个段：g、f、e、d、c、b、a分别接1、1、0、1、1、0、1；接有高电平的段发亮，于是数码管显示“5”。注意，这里没有考虑表示小数点的发光管，如果要考虑，需要增加段h，例5-18中的LED7S:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0)应改为(7 DOWNTO 0) 。,图5-17 7段译码器仿真波形,(4) 实验内容2：引脚锁定及硬件测试。建议选GW48系统的实验电路模式6（参考附录图8），用数码8显示译码输出(PIO46-PIO40)，键8、键7、键6和键5四位控制输入，硬件验证译码器的工作性能。,(5) 实验内容3：用第3章介绍的例化语句，按图5-19的方式连接成顶层设计电路（用VHDL表述），图中的CNT4B是一个4位二进制加法计数器，可以由例3-22修改获得；模块DECL7S即为例5-18实体元件，重复以上实验过程。注意图5-19中的tmp是4位总线，led是7位总线。对于引脚锁定和实验，建议选电路模式6，用数码8显示译码输出，用键3作为时钟输入(每按2次键为1个时钟脉冲)，或直接接时钟信号clock0。,图5-19 计数器和译码器连接电路的顶层文件原理图,实验五 8位数码扫描显示电路设计,(1) 实验目的：学习硬件扫描显示电路的设计。(2) 实验原理：图5-20所示的是8位数码扫描显示电路，其中每个数码管的8个段：h、g、f、e、d、c、b、a（h是小数点）都分别连在一起，8个数码管分别由8个选通信号k1、k2、k8来选择。被选通的数码管显示数据，其余关闭。如在某一时刻，k3为高电平，其余选通信号为低电平，这时仅k3对应的数码管显示来自段信号端的数据，而其它7个数码管呈现关闭状态。根据这种电路状况，如果希望在8个数码管显示希望的数据，就必须使得8个选通信号k1、k2、k8分别被单独选通，并在此同时，在段信号输入口加上希望在该对应数码管上显示的数据，于是随着选通信号的扫变，就能实现扫描显示的目的。,图5-20所示的是8位数码扫描显示电路，其中每个数码管的8个段：h、g、f、e、d、c、b、a（h是小数点）都分别连在一起，8个数码管分别由8个选通信号k1、k2、k8来选择。被选通的数码管显示数据，其余关闭。如在某一时刻，k3为高电平，其余选通信号为低电平，这时仅k3对应的数码管显示来自段信号端的数据，而其它7个数码管呈现关闭状态。根据这种电路状况，如果希望在8个数码管显示希望的数据，就必须使得8个选通信号k1、k2、k8分别被单独选通，并在此同时，在段信号输入口加上希望在该对应数码管上显示的数据，于是随着选通信号的扫变，就能实现扫描显示的目的。,。,图5-20 8位数码扫描显示电路,【例5-19】LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY SCAN_LED IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC; SG : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -段控制信号输出 BT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) );-位控制信号输出 END;ARCHITECTURE one OF SCAN_LED IS SIGNAL CNT8 : STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); SIGNAL A : INTEGER RANGE 0 TO 15;BEGINP1：PROCESS( CNT8 ) BEGIN CASE CNT8 IS WHEN 000 = BT BT BT BT BT BT BT BT NULL ;,END CASE ; END PROCESS P1; P2：PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN CNT8 SG SG SG SG SG SG SG SG SG SG SG SG SG SG SG SG NULL ; END CASE ; END PROCESS P3; END;,例5-19是扫描显示的示例程序，其中clk是扫描时钟；SG为7段控制信号，由高位至低位分别接g、f、e、d、c、b、a 7个段；BT是位选控制信号，接图5-20中的8个选通信号：k1、k2、k8 。程序中CNT8是一个3位计数器，作扫描计数信号，由进程P2生成；进程P3是7段译码查表输出程序，与例5-18相同；进程P1是对8个数码管选通的扫描程序，例如当CNT8等于001 时，K2对应的数码管被选通，同时，A被赋值3，再由进程P3译码输出1001111，显示在数码管上即为“3”；当CNT8扫变时，将能在8个数码管上显示数据：13579BDF 。,(3) 实验内容1：说明例5-19中各语句的含义，以及该例的整体功能。对该例进行编辑、编译、综合、适配、仿真，给出仿真波形。实验方式：若考虑小数点，SG的8个段分别与PIO49、PIO48、PIO42（高位在左）、BT的8个位分别与PIO34、PIO35、PIO41（高位在左）；电路模式不限，引脚图参考附录图12。将GW48EDA系统左下方的拨码开关全部向上拨，这时实验系统的8个数码管构成图5-20的电路结构，时钟CLK可选择clock0，通过跳线选择16384Hz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。(4) 实验内容2：修改例5-19的进程P1中的显示数据直接给出的方式，增加8个4位锁存器，作为显示数据缓冲器，使得所有8个显示数据都必须来自缓冲器。缓冲器中的数据可以通过不同方式锁入，如来自A/D采样的数据、来自分时锁入的数据、来自串行方式输入的数据，或来自单片机等。,实验六 数字频率计的设计,1. 设计思路 图3是8位十进制数字频率计的电路逻辑图，它由一个测频控制信号发生器TESTCTL、8个有时钟使能的十进制计数器CNT10、一个32位锁存器REG32B组成。以下分别叙述频率计各逻辑模块的功能与设计方法。,图3 8位十进制数字频率计逻辑图,1) 测频控制信号发生器设计 频率测量的基本原理是计算每秒钟内待测信号的脉冲个数。这就要求TESTCTL的计数使能信号TSTEN能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器CNT10的ENA使能端进行同步控制。当TSTEN高电平时，允许计数；低电平时，停止计数，并保持其所计的数。在停止计数期间，首先需要一个锁存信号LOAD的上跳沿将计数器在前1秒钟的计数值锁存进32位锁存器REG32B中，并由外部的7段译码器译出并稳定显示。锁存信号之后，必须有一清零信号CLR_CNT对计数器进行清零，为下1秒钟的计数操作作准备。测频控制信号发生器的工作时序如图3所示。为了产生这个时序图，需首先建立一个由D触发器构成的二分频器，在每次时钟CLK上沿到来时其值翻转。,其中控制信号时钟CLK的频率取1 Hz，而信号TSTEN的脉宽恰好为1 s，可以用作闸门信号。此时，根据测频的时序要求，可得出信号LOAD和CLR_CNT的逻辑描述。由图6.6可见，在计数完成后，即计数使能信号TSTEN在1 s的高电平后，利用其反相值的上跳沿产生一个锁存信号LOAD，0.5 s后，CLR_CNT产生一个清零信号上跳沿。 高质量的测频控制信号发生器的设计十分重要，设计中要对其进行仔细的实时仿真(TIMING SIMULATION)，防止可能产生的毛刺。,图3 测频控制信号发生器工作时序,2) 寄存器REG32B设计 设置锁存器的好处是，显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。若已有32位BCD码存在于此模块的输入口，在信号LOAD的上升沿后即被锁存到寄存器REG32B的内部，并由REG32B的输出端输出，然后由实验板上的7段译码器译成能在数码管上显示输出的相对应的数值。,3) 十进制计数器CNT10的设计 如图6.5所示，此十进制计数器的特殊之处是，有一时钟使能输入端ENA，用于锁定计数值。当高电平时计数允许，低电平时禁止计数。,2. VHDL源程序1) 有时钟使能的十进制计数器的源程序CNT10.VHDLIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； -有时钟使能的十进制计数器ENTITY CNT10 ISPORT (CLK：IN STD_LOGIC； -计数时钟信号 CLR：IN STD_LOGIC； -清零信号 END：IN STD_LOGIC； -计数使能信号 CQ：OUT INTEGER RANGE 0 TO 15；-4位计数结果输出 CARRY_OUT：OUT STD_LOGIC)； -计数进位 END CNT10；ARCHITECTURE ART OF CNT10 IS,SIGNAL CQI ：INTEGER RANGE 0 TO 15；BEGIN PROCESS(CLK，CLR，ENA) BEGIN IF CLR= 1 THEN CQI= 0； -计数器异步清零 ELSIF CLKEVENT AND CLK= 1 THEN IF ENA= 1 THEN IF CQI9 THEN CQI=CQI+1； ELSE CQI=0；END IF； -等于9，则计数器清零 END IF； END IF； END PROCESS； PROCESS (CQI) BEGIN IF CQI=9 THEN CARRY_OUT= 1； -进位输出 ELSE CARRY_OUT= 0；END IF； END PROCESS； CQ=CQI；END ART；,2) 32位锁存器的源程序REG32B.VHDLIBRARY IEEE； -32位锁存器USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY REG32B IS PORT(LOAD：IN STD_LOGIC； DIN：IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)； DOUT：OUT STD_LOGEC_VECTOR(31 DOWNTO 0)；END REG32B；ARCHITECTURE ART OF REG32B IS BEGINPROCESS ( LOAD， DIN )BEGINIF LOAD EVENT AND LOAD= 1 THEN DOUT=DIN； -锁存输入数据 END IF ； END PROCESS；END ART；,3) 测频控制信号发生器的源程序TESTCTL.VHD LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL； -测频控制信号发生器USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALLENTITY TESTCTL IS PORT (CLK：IN STD_LOGIC； -1 Hz测频控制时钟 TSTEN：OUT STD_LOGIC； -计数器时钟使能 CLR_CNT：OUT STD_LOGIC； -计数器清零 LOAD：OUT STD_LOGIC)； -输出锁存信号END TESTCTL；ARCHITECTURE ART OF TESTCTL IS SIGNAL Dvi2CLK ：STD_LOGIC； BEGIN,PROCESS ( CLK )BEGINIF CLKEVENT AND CLK= 1 THEN -1 Hz时钟二分频Div2CLK=NOT Div2CLK；END IF ；END PROCESS；PROCESS ( CLK，Div2CLK )BEGIN IF CLK= 0 AND Div2CLK = 0 THEN -产生计数器清零信号 CLR_CNT= 1； ELSE CLR_CNT= 0 ； END IF； END PROCESS； LOAD=NOT Div2CLK； TSTEN=Div2CLK；END ART；,4) 数字频率计的源程序FREQ.VHDLIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY FREQ IS PORT(FSIN：IN STD_LOGIC； CLK：IN STD_LOGIC； DOUT：OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)；END FREQ；ARCHITECTURE ART OF FREQ ISCOMPONENT CNT10 -待调用的有时钟使能的十进制计数器端口定义 PORT(CLK，CLR，ENA：IN STD_LOGIC； CQ：OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)； CARRY_OUT：OUT STD_LOGIC)；,END COMPONENT；COMPONENT REG32B -待调用的32位锁存器端口定义 COMPONENT TESTCTL -待调用的测频控制信号发生器端口定义 SIGNAL TSTEN：STD_LOGIC； SIGNAL CLR_CNT：STD_LOGIC； SIGNAL LOAD：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY1：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY2：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY3：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY4：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY5：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY6：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY7：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY8：STD_LOGIC； SIGNAL DIN：STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)；,BEGINU0：TESTCTL PORT MAP(CLK=CLK，TSTEN=TSTEN， CLR_CNT=CLR_CNT，LOAD=LOAD)；U1：CNT10 PORT MAP(CLK=FSIN，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (3 DOWNTO 0)，CARRY_OUT=CARRY1)；U2：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY1，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (7 DOWNTO 4)，CARRY_OUT=CARRY2)；U3：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY2，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (11 DOWNTO 8)，CARRY_OUT=CARRY3)；U4：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY3，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (15 DOWNTO 12)，CARRY_OUT=CARRY4)；U5：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY4，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN，,CQ=DIN (19 DOWNTO 16)，CARRY_OUT=CARRY5)；U6：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY5，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (23 DOWNTO 20)，CARRY_OUT=CARRY6)；U7：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY6，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (27 DOWNTO 24)，CARRY_OUT=CARRY7)；U8：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY7，CLR=CLR_CNT，ENA=TSTEN， CQ=DIN (31 DOWNTO 28)，CARRY_OUT=CARRY8)；U9：REG32B PORT MAP(LOAD=LOAD，DIN=DIN(31 DOWNTO 0)，DOUT=DOUT)；END ART；,3. 硬件逻辑验证 选择实验电路结构图NO.0，由5.2节的实验电路结构图NO.0和图6.5确定引脚的锁定，测频控制器时钟信号CLK(1 Hz)可接CLOCK1，待测频FSIN可接CLOCK0，8位数码显示输出DOUT31.0接PIO47PIO16。 进行硬件验证时方法如下：选择实验模式0，测频控制器时钟信号CLK与CLOCK1信号组中的1 Hz信号相接，待测频FSIN与CLOCK0信号组中的某个信号相接，数码管应显示来自CLOCK0的频率。,实验七 秒 表 的 设 计,1设计思路 今需设计一个计时范围为0.01秒1小时的秒表，首先需要获得一个比较精确的计时基准信号，这里是周期为1/100 s的计时脉冲。其次，除了对每一计数器需设置清零信号输入外，还需在6个计数器设置时钟使能信号，即计时允许信号，以便作为秒表的计时起停控制开关。因此秒表可由1个分频器、4个十进制计数器 (1/100秒、1/10秒、1秒、1分)以及2个六进制计数器(10秒、10分)组成，如图4所示。6个计数器中的每一计数器的4位输出，通过外设的BCD译码器输出显示。图6.7中6个4位二进制计数输出的最小显示值分别为：DOUT3.01/100秒、DOUT7.41/10秒、DOUT11.81秒、DOUT15.1210秒、DOUT19.161分、DOUT23.2010分。,图4 秒表电路逻辑图,2. VHDL源程序1) 3 MHz100 Hz分频器的源程序CLKGEN.VHDLIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY CLKGEN IS PORT (CLK：IN STD_LOGIC； -3 MHz信号输入 NEWCLK：OUT STD_LOGIC )； -100 Hz计时时钟信号输出END CLKGEN；ARCHITECTURE ART OF CLKGEN IS SIGNAL CNTER：INTEGER RANGE 0 TO 10#29999#；-十进制计数预制数 BEGIN PROCESS(CLK) -分频计数器，由3 MHz时钟产生100 Hz信号 BEGIN,IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF CNTER=10#29999# THEN CNTER=0；-3 MHz信号变为100 Hz，计数常数为30 000 ELSE CNTER=CNTER+1； END IF； END IF；END PROCESS；PROCESS(CNTER) -计数溢出信号控制BEGIN IF CNTER=10#29999# THEN NEWCLK=1； ELSE NEWCLK=0； END IF； END PROCESS；END ART；,2) 六进制计数器的源程序CNT6.VHD(十进制计数器的源程序CNT10.VHD与此类似)LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；ENTITY CNT6 ISPORT (CLK：IN STD_LOGIC； CLR：IN STD_LOGIC； ENA： IN STD_LOGIC； CQ：OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)；,CARRY_OUT： OUT STD_LOGIC )；END CNT6；ARCHITECTURE ART OF CNT6 ISSIGNAL CQI：STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)；BEGINPROCESS(CLK，CLR，ENA)BEGIN IF CLR=1 THEN CQI=0000； ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF ENA=1 THEN IF CQI=“0101” THEN CQI=“0000”；,ELSE CQI=CQI+1；END IF； END IF； END IF； END PROCESS； PROCESS(CQI) BEGIN IF CQI=“0000” THEN CARRY_OUT=1； ELSE CARRY_OUT=0；END IF； END PROCESS； CQ=CQI；END ART；,3) 秒表的源程序TIMES.VHDLIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITY TIMES IS PORT(CLR：IN STD_LOGIC； CLK：IN STD_LOGIC； ENA：IN STD_LOGIC； DOUT：OUT STD_LOGIC_VECTOR(23 DOWNTO 0)；END TIMES；ARCHITECTURE ART OF TIMES IS COMPONENT CLKGEN PORT(CLK：IN STD_LOGIC； NEWCLK：OUT STD_LOGIC)；,END COMPONENT；COMPONENT CNT10 PORT(CLK，CLR，ENA：IN STD_LOGIC； CQ：OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)； CARRY_OUT：OUT STD_LOGIC)；END COMPONENT；COMPONENT CNT6 PORT(CLK，CLR，ENA：IN STD_LOGIC； CQ：OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)； CARRY_OUT：OUT STD_LOGIC)；END COMPONENT；,SIGNAL NEWCLK：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY1：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY2：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY3：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY4：STD_LOGIC； SIGNAL CARRY5：STD_LOGIC； BEGIN U0：CLKGEN PORT MAP(CLK=CLK，NEWCLK=NEWCLK)； U1：CNT10 PORT MAP(CLK=NEWCLK，CLR=CLR，ENA=ENA， CQ=DOUT(3 DOWNTO 0)，CARRY_OUT=CARRY1)；,U2：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY1，CLR=CLR，ENA=ENA， CQ=DOUT(7 DOWNTO 4)，CARRY_OUT=CARRY2)； U3：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY2，CLR=CLR，ENA=ENA， CQ=DOUT(11 DOWNTO 8)，CARRY_OUT=CARRY3)； U4：CNT6 PORT MAP(CLK=CARRY3，CLR=CLR，ENA=ENA， CQ=DOUT(15 DOWNTO 12)，CARRY_OUT=CARRY4)； U5：CNT10 PORT MAP(CLK=CARRY4，CLR=CLR，ENA=ENA， CQ=DOUT(19 DOWNTO 16)，CARRY_OUT=CARRY5)； U6：CNT6 PORT MAP(CLK=CARRY5，CLR=CLR，ENA=ENA， CQ=DOUT(23 DOWNTO 20)；END ART；,3. 硬件逻辑验证 选择实验电路结构图NO.0，由5.2节的实验电路结构图NO.0和图4确定引脚的锁定。时钟信号CLK可接CLOCK0，计数清零信号接键1，计数使能信号接键2，数码管16分别显示以1/100 s、1/10 s、1 s、10 s、1 min、10 min为计时基准的计数值。 进行硬件验证时方法如下：选择实验模式0，时钟信号CLK与CLOCK0信号组中的3 MHz信号相接，键1和键2分别为计数清零信号和计数使能信号，计数开始后时间显示在6个数码管上。,