实验五 含异步清零和同步使能4位加法计数器的VHDL设计

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。

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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。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。

10选器件：ACEX1K，EP1K30TC144-3（旧）或Cyclone，EP3C40Q240C8目标芯片。11编译；

12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5－4。】

13仿真，观察输出波形是否正确；

14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55.55MHZ】

（三）异步清0和同步时钟使能的4位加法计数器的VHDL设计

参照实验（一）、（二），完成异步清0和同步时钟使能的4位10进制加法计数器的设计。五、思考题

1解释同步复位和异步复位的概念，同步的含义是什么？。

2在异步复位4位计数器的设计中，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？如果可以，需要修改什么？

3修改实验中的设计代码，用进程语句实现进位信号COUT的输出。

4设计一个1位十进制计数器（二进制是4位），要求含有异步复位和计数使能控制，有进位输出。写出VHDL设计代码并仿真。如何设计2位十进制计数器？

六、拓展：8位自启动环形计数器

[实验原理]

数字逻辑电路中，用来存放二进制数据或代码的电路称为寄存器。寄存器是由具有存储功能的触发器组合构成的。按照功能的不同，可将寄存器分为基本寄存器和移位寄存器两大类。基本寄存器只能并行送入数据，需要时也只能并行输出，移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出。

在实际应用中，环形计数器实际上就是一个最简单的移位寄存器，它把最后一个触发器的输出值移位到前一个触发器中。对于n位二进制代码的移位寄存器，为构成环形计数器可

将寄存器FF

n-1的输出Q

n-1

接到寄存器FF

的输入端D

，把各个寄存器相连使信号由左向右移

位，并由Q

n-1返回到Q

，在多数情况下，寄存器中只有一个信号1，只要有时钟脉冲作用，

1就在移位寄存器循环，环形计数器中各个触发器的Q端，将轮流地出现矩形脉冲。应用DFF 设计的环形计数器电路图如图1所示。

图18位自启动环形计数器电路图