十进制计数器设计

十进制计数器设计
一、实验目的：熟悉Quartus II的Verilog文本设计流程全过程，学习十进制计数器的设计、仿真，掌握计数器的工作原理。

二、实验原理：计数器属于时序电路的范畴，其应用十分普遍。

该程序设计是要实现带有异步复位、同步计数使能和可预置型的十进制计数器。

该计数器具有5个输入端口（CLK、RST、EN、LOAD、DATA）。

CLK输入时钟信号；RST起异步复位作用，RST=0，复位；EN是时钟使能，EN=1，允许加载或计数；LOAD是数据加载控制，LOAD=0，向内部寄存器加载数据；DATA是4位并行加载的数据。

有两个输出端口（DOUT和COUT）。

DOUT 的位宽为4，输出计数值，从0到9；COUT是输出进位标志，位宽为1，每当DOUT为9时输出一个高电平脉冲。

RST在任意时刻有效时，如CLK非上升沿时，计数也能即刻清0；当EN=1，且在时钟CLK的上升沿时刻LOAD=0，4位输入数据DA TA被加载，但如果此时时钟没有上升沿，尽管出现了加载信号LOAD=0,依然未出现加载情况；当EN=1,RST=1,LOAD=1时，计数正常进行，在计数数据等于9时进行输出高电平。

三、实验任务：在Quartus II上将设计好的程序进行编辑、编译、综合、适配、仿真，从时序仿真图中学习计数器工作原理，了解计数器的运行情况及时钟输入至计数器数据输出的延时情况。

四、实验步骤：
（一）、建立工作库文件和编辑设计文件
任何一项设计都是一项Project（工程），而把一个工程下的所有文件放在一个文件夹内是一个非常好的习惯，以便于我们整理，利用和提取不同工程下的文件，而此文件夹将被EDA软件默认为Work Library（工作库），所以第一步先根据自己的习惯，建立个新的文件夹。

（1）新建文件夹：在盘建立并保存工程，将文件夹取名Jishuqi。

（2）输入源程序：打开Quartus II，选择菜单File→New→Design Files→VerilogHDL File→OK(如图1所示)。

图1
在空白处工作框处输入任务要求中的代码，代码如下：
module CNT10 (CLK,RST,EN,LOAD,COUT,DOUT,DATA);
input CLK, EN, RST,LOAD;
input [3:0] DATA;
output [3:0] DOUT;
output COUT;
reg [3:0] Q1;
reg COUT;
assign DOUT = Q1;
always @ (posedge CLK or negedge RST)begin
if(!RST) Q1 <= 0;
else if(EN)begin
if(!LOAD) Q1 <= DA TA;
else if(Q1<9) Q1 <= Q1+1;
else Q1 <= 4'b0000;end
end
always @ (Q1)
if(Q1==4'h9) COUT = 1'b1;
else COUT = 1'b0;
endmodule
（3）保存文件：选择File Save as,选择保存路径，即刚才新建文件夹Jishuqi,文件名应与实体名保持一致，即CNT10，点击保存后会跳出“Do you want to create a new project with this file?”选择“是”，则进入如下界面，如图2所示。

图2
点击Next，进入“工程设置”对话框，第一行表示工程所在的文件夹，第二行为工程名，可以与顶层文件的实体名保持一致，也可以另取别的名字，第三行为当前工程顶层文件的实体名，如图3所示。

图3
点击Next，进入ADD FILE对话框，单击Add All 按钮，将工程相关的所有Verilog文件加进工程，也可以单击“Add...”选择性加入，从工程目录中选出相关的Verilog文件，然后点击Next，当先直接建立工程时，需要自己添加，如图4所示。

图4
（4）选择目标芯片：我们选用的是CycloneIII系列的EP3C55F484C8，在Family栏选择芯片系列——CycloneIII，在窗口右边的三个下拉列表框选择过滤条件，分别选择Package为FBGA、Pin count为484和Speed grade为8，点击Next，如图5所示。

图5
（5）工具设置：进入EDA工具设置窗口，有三个选项，分别是选择输入的HDL类型和综合工具、选择仿真工具、选择时序分析工具，这是除Quartus II自含的所有设计工具以外的外加的工具，如果不作选择的，表示仅选择Quartus II自含的所有设计工具，本次不需要其他的设计工具，可以直接点击Next，如图6所示。

图6
（6）结束设置：进入“工程设置统计”窗口，列出了与此工程相关的设置情况，设置完成，点击Finish，如图7所示。

图7
（二）、编译
配置好后就可以进行编译了，点击Processing Start Compilation命令，启动全程编译
编译成功后的界面如图8所示。

图8
（三）、时序仿真
（1）打开波形编辑器：File→New→Verification/Debugging Files→Vector Waveform→OK,即出现空白的波形编辑器，如图9所示。

图9
(2)设置仿真时间区域：Edit-->End Time在Time栏中输入50，单位选择“us”，点击确定并保存波形文件，如图10所示。

图10
（3）点击Edit→Insert→Insert Node or Bus→Node Finder→List→ >>→OK，如图11所示。

图11
（4）编辑输入波形：
首先进行时钟窗口设置：点击左边的输入CLK的周期为2.56us，50%的占空比，如图12所示，设置EN、RST与LOAD，将它们设置为高电平。

图12
接着进行总线数据格式设置和参数设置：点击输入数据信号DA TA的左边的+号，能展开此总线中的所有信号；如果双击此+号左边的信号标记，将弹出对该信号数据格式设置的Node Properties对话框，在该对话框的Radix下拉列表中有四种选择，这里选择十进制表达方式。

其次输入波形数据：由于DATA是4位待加载的输入数据，需要设置输入数据。

用鼠标在
所示信号名DATA的某一数据区拖拉出来一块蓝色区域，然后单击左侧工具栏的按钮，
在弹出窗口输入数据如1，继而在不同区域设置不同数据。

这里为方便观察，输入的数据依次是1，5，7，9，4，如图13所示。

图13
（5）仿真
仿真器参数仿真：选择Assignment→Settings命令，在Settings窗口下选择Category→Simulator Settings。

在右侧的Simulation mode下拉列表中选择Timing，即选择时序仿真，并选择仿真激励文件名CNT10.vwf。

选择Simulation Period栏，确认选中了“Run simulation until all vector stimuli are used”，如图14所示。

图14
启动仿真器：Processing→Start Simulation，直至出现Simulation was successful，仿真结束，然后会自动弹出“Simulation Report”，点击输出信号“DOUT”旁边的“+”，展开总线中的所有信号，可以便于我们观察和分析波形，如图15所示。

图15
（四）应用RTL电路图观察器
Tools→Netlist Viewers→RTL Viewer，结果如图16所示。

图16
五、实验心得
通过几周的学习，我了解了FPGA编程语言的使用方法，通过设计实验项目，我掌握了Quartus II软件的用法以及十进制计数器的工作原理。

在这个过程中，让我明白了动手能力的重要性，同时也使我认识到自己所学的知识还很欠缺，要加强这方面的学习。