含异步清规和同步使能的加法计数器

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信号名称对应FPGA管脚名说明DIGITAL-CLKA14数字时钟信号送至FPGA的A14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FPGAI/O名称核心板接口管脚号功能说明S[0]Pin_AF5JP1_91‘S1’SwitchS[1]Pin_AH6JP1_93‘S2’SwitchS[2]Pin_AH7JP1_95‘S3’SwitchS[3]Pin_AH8JP1_97‘S4’SwitchS[4]Pin_AG10JP1_99‘S5’SwitchS[5]Pin_AG11JP1_101‘S6’SwitchS[6]Pin_AH14JP1_90‘S7’SwitchS[7]Pin_AG7JP1_92‘S8’SwitchS[8]Pin_AG8JP1_94‘S9’SwitchS[9]Pin_AF9JP1_96‘S10’SwitchS[10]Pin_AH10JP1_98‘S11’SwitchS[11]Pin_AH11JP1_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。2、建完工程之后，再新建一个VHDLFile，打开VHDL编辑器对话框。3、按照实验原理和自己的想法，在VHDL编辑窗口编写VHDL程序，用户可参照光盘中提供的示例程序。4、编写完VHDL程序后，保存起来。方法同实验一。5、对自己编写的VHDL程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。6、编译仿真无误后，依照拨动开关、LED与FPGA的管脚连接表（表1-1、表1-2）或参照附录进行管脚分配。表3-3是示例程序的管脚分配表。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。端口名使用模块信号对应FPGA管脚说明CLK数字信号源Pin_A14时钟为1HZEN拨动开关K1Pin_AH12使能信号RET按键开关S1Pin_AF5复位信号CQ0LED灯LED1Pin_AE8计数输出CQ1LED灯LED2Pin_J22CQ2LED灯LED3Pin_M24CQ3LED灯LED4Pin_L24CQ4LED灯LED5Pin_L23CQ5LED灯LED6Pin_H23CQ6LED灯LED7Pin_H24CQ7LED灯LED8Pin_F24CQ8LED灯LED9Pin_E24CQ9LED灯LED10Pin_F22CQ10LED灯LED11Pin_E22COUTLED灯LED12Pin_F21COUT为进位信号表3-3端口管脚分配表7、用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。五、实验现象与结果以设计的参考示例为例，当设计文件加载到目标器件后，将数字信号源的时钟选择为1HZ，使拨动开关K1置为高电平（使拨动开关向上），四位LED会按照实验原理中依次被点亮，当加法器加到9时，LED12（进位信号）被点亮。当复位键（按键开关的S1键）按下后，计数被清零。如果拨动开关K1置为低电平（拨动开关向下）则加法器不工作。六、实验报告1、绘出仿真波形，并作说明。2、写出在VHDL编程过程中需要说明的规则。3、将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来。4、改变时钟频率，看实验现象会有什么改变，试解释这一现象。附表一：核心板上资源模块与FPGA的管脚连接表信号名称FPGAIO接脚信号名称FPGAIO接脚核心板模块FLASH（AM29LV065D）A0AF27A17T25A1AE28A18AB27A2AE27A19V26A3AD28A20U25A4AD27A21Y25A5AC28A22R27A6AC27D0AC26A7AB28D1AB25A8W28D2AB26A9W27D3AA25A10U26D4W25A11V28D5Y26A12V27D6V25A13U28D7W26A14U27WE#AA26A15T26OE#AC25A16R28CS#AD26核心板模块SRAM（IDT74V416）A0AE27A7W27A1AD28A8U26A2AD27A9V28A3AC28A10V27A4AC27A11U28A5AB28A12U27A6W28A13T26信号名称FPGAIO接脚信号名称FPGAIO接脚核心板模块SRAM（IDT74V416）A14R28D18N26A15T25D19P27A16AB27D20P28A17V26D21T22D0AC26D22T21D1AB25D23R24D2AB26D24L28D3AA25D25L27D4W25D26K28D5Y26D27K27D6V25D28H26D7W26D29G28D8AA22D30G27D9AA24D31F28D10Y24BE0R25D11Y23BE1AB23D12V24BE2E28D13V23BE3F27D14U24OE#R26D15U23WE#AB24D16M27CS#AC24D17M28------------核心板模块串行接口PC-TXDD3PC-RXDB15核心板模块自定义按键BT1Y27BT3J28BT2Y28BT4J27信号名称FPGAIO接脚信号名称FPGAIO接脚核心板模块七段码LEDAAF4EAF7BAE5FAD5CAE6GAF6DAF8DPAE7核心板模块自定义LED（LED1-LED4）LED1AF10LED3AB9LED2AE10LED4AE9核心板模块NANDFLASHNF-D0V4NF-CLET4NF-D1W3NF-ALER5NF-D2U4NF-R/BJ1NF-D3V3NF-WEU3NF-D4R4NF-REM3NF-D5R3NF-CEM4NF-D6N4------------NF-D7N3------------核心板模块复位按键、时钟RESETA1550MHZJ2核心板模块USB2.0接口USB-DB0A26USB-DB8A18USB-DB1B25USB-DB9B17USB-DB2A25USB-DB10C16USB-DB3C24USB-DB11A17USB-DB4B23USB-DB12G25USB-DB5A23USB-DB13E27USB-DB6B22USB-DB14D28USB-DB7A22USB-DB15D27信号名称FPGAIO接脚信号名称FPGAIO接脚核心板模块USB2.0接口USB-FLAGAB21USB-CSB18USB-FLAGBA21USB-OEC27USB-FLAGCC20USB-WEB26USB-ADR0B19USB-IFCLKG26USB-ADR1A19------------核心板模块DDRIISDRAMDRAM-DQ[0]AE25DRAM-ADDR[0]AC21DRAM-DQ[1]AE21DRAM-ADDR[1]AB16DRAM-DQ[2]AG26DRAM-ADDR[2]AC15DRAM-DQ[3]AD18DRAM-ADDR[3]AF16DRAM-DQ[4]AF20DRAM-ADDR[4]AD21DRAM-DQ[5]AH25DRAM-ADDR[5]AE15DRAM-DQ[6]AF22DRAM-ADDR[6]AD15DRAM-DQ[7]AE24DRAM-ADDR[7]AE16DRAM-DQ[8]AH22DRAM-ADDR[8]AC17DRAM-DQ[9]AG21DRAM-ADDR[9]AF21DRAM-DQ[10]AF24DRAM-ADDR[10]AE17DRAM-DQ[11]AD17DRAM-ADDR[11]AE20DRAM-DQ[12]AE19DRAM-ADDR[12]AF15DRAM-DQ[13]AH23DRAM_BA[0]AH17DRAM-DQ[14]AH21DRAM_BA[1]AF17DRAM-DQ[15]AG22DRAM_DM[0]AF25DRAM_nCLKAE23DRAM_DM[1]AH19DRAM_nCASAH26DRAM_DQS[0]AF26DRAM_nRASAE22DRAM_DQS[1]AE18DRAM_WEAH18DRAM_CKEAG18DRAM_nCSAG23DRAM_CLKAF23信号名称FPGAIO接脚信号名称FPGAIO接脚核心板模块SD卡模块SD-CSD4SD-WPD6SD-CLKC5SD-DID5SD-CDC7SD-DOC6核心板模块扩展接口（EXT-PORT）1-25V（VCC）23AG63-4GND24AF55-63.3V25AG77AA326AH68W127AG89AB128AH710AB229AF911AC130AH812AC231AH1013AD132AG1014AD233AH1115AE134AG1116AE235AH1217AF336AF1218AF237AF1419AH338AG1220AG339AG14（CLK15）21AH440AH14（CLK14）22AG4------------附表二：系统板上资源模块与FPGA的管脚连接表信号名称FPGAIO接脚信号名称FPGAIO接脚EDA/SOPC开发平台16位色彩色液晶显示模块D0B11D11F3D1A10D12F5D2B10D13E3D3B8D14B12D4A8D15A12D5C8A0H4D6A7A1G5D7A11A2J3D8C12CSK4D9G3RDJ4D10G4WRK3EDA/SOPC开发平台7843触摸屏控制模块DCLKH13芯片信号DOUTE4CSG6PENIRQL3芯片信号DINL4EDA/SOPC开发平台12位LED灯显示模块LED1AE8LED7H24LED2J22LED8F24LED3M24LED9E24LED4L24LED10F22LED5L23LED11E22LED6H23LED12F21信号名称FPGAIO接脚信号名称FPGAIO接脚AEEDA/SOPC开发平台八位七段数码管显示模块AG16GG12BG17DPM21CF18SEL0C22DG18SEL1D22EG15SEL2G9FG14EDA/SOPC开发平台16*16点阵显示模块R0C17R10D20R1D15R11D19R2D14R12C19R3D13R13D18R4D12R14C18R5D10R15D17R6C10C0L5R7C9C1H6R8D21C2H7R9C21C3H5EDA/SOPC开发平台12位拨动开关K1AH12K7AF12K2AF14K8AG12K3AA8K9AA10K4AB8K10U8K5AE4K11AE3K6AC5K12AD4信号名称FPGAIO接脚信号名称FP