基于MSI芯片74160设计模为100的计数器

武汉工业学院数字逻辑实验报告姓名张聪院(系) 数学与计算机学院专业电气信息类学号100511217指导教师刘昌华武汉工业学院数学与计算机学院2011-11-30基于MSI芯片74160设计模为100的计数器1、实验目的：基于MSI芯片74160，利用QuartusII软件设计并实现一个计数器的逻辑功能，通过电路的仿真和硬件验证，进一步了解计数器的特性和功能。

2、实验原理：利用集成计数器MSI芯片的清零端和置数端实现归零，可以按自然态序进行计数的N 进制计数器的方法。

集成计数器中，清零、置数均采用异步方式的有74LS163；均采用异步方式的有74LS193、74LS197、74LS192；清零端采用异步方式、置数端采用同步方式的有74LS161、74LS160。

表1图13、实验环境：PC机（Windows xp，QuartusII）4、实验内容：按照第五章相关内容，完成计数器的实际，包括原理图输入、编译、综合、适配、仿真，并将此计数器电路设计成一个硬件符号入库。

最后利用两个MSI芯片74160完成一个模为60的计数器的设计，包括原理图的输入、编译、综合、适配、仿真。

5、实验步骤：Step1.启动QuartusII“开始”菜单“所有程序”中的“Altera”程序框中选择“QuartusII”如图1所示：Step2.建立工作库目录文件夹以便设计工程项目的存储EDA工具中的任何一项设计都是一项工程（PROJECT）,应首先为此工程建立一个放置与此工程相关的文件的文件夹，此文件夹将被EDA软件默认为工作库（WORK LIBRARY）.一般不同的设计项目最好放在相应的文件夹中，注意，一个设计项目可以包含多个设计文件夹。

本项目中的文件夹取名为counter_100，路径为：E:/数字逻辑/作业/100511217/。

注意：文件夹名不能用中文，且不可带空格。

Step3.输入设计（1）打开QuartusII，选择File|New命令。

在New窗口中（如图2所示）的Device Design File 中选择硬件设计文件类型为Block Diagram/Schematic File，然后在框图设计文件编辑窗中输入源程序图1的文件。

图2(2)放置元件在原理图空白处双击鼠标，跳出Symbol选择窗口（或单击右键选择Inster→Symbol…），出现元件对话框图2图3为了设计一位全加器，可参考图1，分别调入元件input、output、与门AND4、MSI芯片74160，并连接好。

然后分别在input和output的PIN NAME上双击使其变黑，再用键盘分别输入各引脚名：CLRN，CLK（时钟），CO（输出），Q[7..0]（两个74160共8个输出）。

以及Q[0]到Q[7]输出。

（3）文件存盘从菜单File中选择Save as 命令，选择刚才为自己工程建立的目录E:/数字逻辑/作业/100511217/，将设计好的图文件取名为：counter_100（注意后缀是.bdf），并存盘在E:/数字逻辑/作业/100511217/ 目录内，如图4所示。

图4Step4.新建工程（1）单击File/New Project Wizard，弹出“工程设置”对话框，如图5图5第1行的E:/数字逻辑/作业/100511217/ 表示工程所在的工作库文件夹，第2行表示该工程的工程名，此工程名可以取任何其他的名，也可以用顶层文件实体名作为工程名；第3行是当前工程顶层文件的实体名（此处输入的顶层文件实体名与之后的设计文件实体名相同，默认的顶层文件名与工程名相同），此处即为counter_100。

（2）加入设计文件单击Next按钮，在弹出的对话框中单击File栏中的“…”，将于工程相关的所有文件加入工程中，单击Add按钮进入此工程，即可得如图6所示的情况。

图6 添加设计文件（3）选择目标芯片（用户必须选择与开发板相应的FPGA器件型号）：这时弹出选择目标芯片的窗口，首先在Family栏选择目标芯片系列，在此选择Cylone 系列，如图7所示。

再次单击Next按钮，选择此系列的具体芯片EP1C6Q240C8，这里EP1C6表示Cylone系列及此器件的规模，Q表示PQFP封装，C8表示速度级别。

图7 选择目标芯片（4）选择仿EDA工具：设计中可能用到的EDA工具有时序分析工具、仿真工具和综合工具。

单击图7中Next按钮，可从弹出的窗口中选择EDA工具类型，如果都选None，表示选QuartusII中自带的EDA工具。

（5）单击Next按钮后进入下一步。

弹出“工程设置统计”窗口，如图8所示。

图8 工程设计统计（6）结束设置。

最后单击Finish按钮，即表示已设定好此工程，并出现counter_100的工程管理窗口（亦称Compilation Hierarchies窗口），该窗口主要显示该项目的层次结构和各层次的实体名，如图9所示。

完成设置后可以看到窗口左上角显示所设工程路径的变化。

QuartusII将工程信息文件存储在工程配置文件（.qsf）中。

它包括设计文件、波形文件、SignalTapII文件、内存初始化文件，以及构成工程的编译器、仿真器的软件构件设置等有关QuartusII工程的所有信息。

图9Step5.编译综合QuartusII默认把所有编译结果放在工程根目录中，为了让QuartusII像Visual Studio等IDE 一样把编译结果放在一个单独的目录中，需要指定编译结果的输出路径。

单击菜单项Assignment→settings，选中Compilation processSetting 选项卡，勾选右边的Save Project output files inspecified directory，输入路径（release or debug），如下图：QuarterII编译器是由一系列处理模块构成，这些模块负责对设计项目检错，逻辑综合、结构综合、输出结果的编辑配置，以及时序分析。

单击菜单选项Processing→Start→Start Analysis&Synthesis执行分析与综合项目检错(或Ctrl+K)，如果仅仅需要检测语法，那么执行Analysis&Elaboration（分析与解析），但这一步生成的数据并不对应FPGA器件的物理结构，生成的网表中节点的名称也不与FPGA器件的Cell名称对应。

更多情况下直接执行Start Analysis&Synthesis。

执行分析与综合后，生成的数据库对应FPGA器件的物理结构，映射后的数据库包含FPGA底层Cell的位置信息和Cell的时序信息。

上面所有工作做好后，执行QuartusII主窗口的Processing菜单的Star Compilation 选项，启动全程编译。

编译好后的工程管理窗口如图10所示。

图10编译过程中应注意工程管理窗下方的Processing栏中的编译信息。

如果编译有错，启动编译后下方Processing栏会显示出来，可双击错误提示，即弹出对应用深色标记的相关错误位置，再次编译直至排除所有错误。

在图10中单击Report可得到如图11所示的界面，此界面左上角是工程管理窗口，单击其中各项可了解编译和分析结果。

如单击Flow Summary，将在右栏显示此工程的硬件耗用报告：Timing Analyzer 项，则能看到当前工程所有相关时序特性的报告。

图11Step6.仿真测试该工程编译通过后，必须对其功能和时序性能进行仿真检测，以验证设计结果是否满足设计要求。

整个时序仿真测试流程一般有建立波形文件、输入信号节点、设置波形参数、编辑输入信号、波形文件存盘、运行仿真器和分析仿真波形等步骤。

现给出以.vwf文件方式的仿真测试流程的具体步骤如下：（1）建立仿真波形文件选择QuartusII主窗口主窗口的File菜单的New选项，在弹出的文件类型编辑对话框中，选择Verification/Debugging Files 中的Vector Weaveform Files 项，单击OK按钮，打开波形文件编辑窗口。

单击File→Save As，即出现如图12所示：图12（2）设置仿真参数选择Assigment 中的settings 对话框，可以进行如仿真激励文件、毛刺检测、功耗估计、输出等设置，一般情况下选默认值。

如图13所示：图13本题中整个仿真时间区域蛇为10µs、时间轴周期为100ns，其设置步骤是在Edit菜单中选择End Time，在弹出窗口中Time 出填入10，单位选择µs，同理在Gride Size中Time Period 输入50ns，单击OK按钮，设置结束。

（3）输入工程的信号节点单击Edit→Insert→Insert Node or BUS…，即可弹出如图14的对话框，单击Nodes Found选项，在Nodes Found对话框Filter项中选择Pins：All，然后单击List按钮，在下方的窗口中出现设计中的工程的所有窗口的引脚名，选择欲观察信号节点，用中间的“≥”将需要观察的信号选到右边，如图15所示，单击OK按钮，回到Insert Node or BUS 对话框，再单击OK按钮即可，如图16所示。

图14.图15图16（4）设计输入信号波形单击图16窗口的输入信号CP使之变成蓝色条，再单击右键，选择Value设置中的Clock对话框（如图17所示），设置其周期为50ns，同理分别设置其他信号的波形，波形编辑结果如图19所示。

双击图16所示输出信号CO、Q[7..0]，将弹出信号输出格式设置对话框图18所示，在对话框的Radix中有6中选择，将在后续试验中要用到。

图17 图18图19（5）启动仿真器，观察结果所有设置完成后，选择“File”中的“Save As”项，将波形文件以默认名存盘后，即可启动仿真器Processing|Start Simulation，直到出现Simulation was successful，仿真结束。

QuartusII9.0中默认的Simulation mode 为Timing（时序仿真）仿真波形输出文件Simulation Report 将自动弹出如图20所示，通过该图可查看实际设计的电路运行时是否满足延时要求。

注意，QuartusII的仿真波形文件中，波形编辑文件（*.bdf）与波形仿真报告输出文件（Simulation Report）是分开的，而MaxplusII的激励波形编辑文件与波形仿真报告输出文件是合二为一的。

图20（6）包装元件入库分析仿真结果正确无误后，选择File→Create/update→Create Symbol File for CurrentFile，将当前文件变成了一个包装好的单一元件（counter_100.bsf），并放置在工程路径指定的目录中以备后用。