一、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。
二、实验仪器与器材
计算机1台，GW48-PK2S实验箱1台，QuartusⅡ6.0 1套。
三、实验
1. 基本命题
在QuartusⅡ上设计一个含计数使能、异步复位和计数值并行预置功能的4位加法计数器，并进行编辑、编译、综合、适配、仿真，给出其所有信号的时序仿真波形。
1) 实验原理
由数电知识可知，4位加法计数器由clk时钟，rst置位，en使能，cq输出，cout进位输出构成。
2) 程序设计
3) 编译仿真波形
图1 4位加法计数器波形
从图1分析可知，在每一个时钟上身沿到来的时候，4位加法计数器计数值加1（图中1），最大计数值为15，并进行进位输出（图中2）；当rst为高电平时，输出清零。
2. 扩展命题
在上述设计基础上，设计具有同步复位和计数值并行预置功能的8位加法计数器。并进行编辑、编译、综合、适配、仿真，给出其所有信号的时序仿真波形。
1) 实验原理
由原来的设计的两个4位加法计数器件组成一个8位加法计数器U0。设有两个4位加法计数器U1，U2。我们规定U1为U0的低位，U2为U0的高位。将U1的进位输出cout连接到U2的时钟输入clk；U1和U2的rst连接在一起作为总置位端brst；en也连接在一起,作为总使能端ben。U2的进位输出cout作为总进位输出bcout；
2) 程序设计
3) 编译仿真波形
图2.1 8位加法计数器从0计数到26
图2.2 8位加法计数器从26计数到50
8位加法计数器可以计数到196，但是后面的计数运行正常且与前面相似，不再截图。
4) 分析结果
从图中可以看出，实验的结果与预期相符。
四、实验设计思路
图5-1是一含计数使能、异步复位和计数值并行预置功能的4位加法计数器。如图所示，图中间是4位锁存器；rst是异步清信号，高电平有效；clk是锁存信号；D[3：0]是4位数据输入端。当ENA为‘1’时，多路选择器将加1器的输出值加载于锁存器的数据端；当ENA为‘0’时将“0000”加载于锁存器。
附图5-1 4位加法计数器的RTL电路图
设计提示：
若目标器件是EP1C6Q240C8，建议选实验电路模式5，用键8（PIO7）控制RST；用键7（PIO6）控制ENA；计数溢出COUT接发光管D8（PIO15）；输出Y是计数输出，接数码1（PIO19-PIO16，低位靠右）；时钟CLK接clock0，通过跳线选择4Hz信号。引脚锁定后进行编译、下载和硬件测试实验。
五、实验思考题
（1）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？
假设可行，将cnt4中的实验程序修改为直接使用输出端口信号完成加法运算，如图3所示。经分析，程序中的输出cq是不可读的，另外，如果没有一个变量来保存程序的计数值，那么程序就相当于一个组合逻辑电路，不具备计数的功能。
图3直接使用输出端口信号完成加法运算
六、问题的总结
1、Cnt4中的不准确的进位输出，导致cnt8中的计数出错。
之前在cnt4判断进位的输出的语句如图3 所示。该语句检测当计数值为15的时候，就进行输出。当4位加法计数器的数量为一个的时候，可以正常工作。但是复用cnt4的时候，发现8位加法计数器cnt8的计数出现了如图4的错误。经分析，在cnt8中时，当低位cnt4的计数值为15，同时输出一个进位信号到高位cnt4，照成高位cnt4多计数了一次。由于在下一个时钟到来的时候，低位的cnt4才重新从0开始计数，因此会产生仿真结果与预期不符。只要我们将程序修改为如下方程序块1所示。
图3 进位输出语句
图3 Cnt8计数输出不准确
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LIBRARYieee; USEieee.std_logic_1164.ALL; USEieee.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY cnt4 IS PORT(clk, rst, en :INstd_logic; --clk时钟，rst置位，en使能 cq :OUTstd_logic_vector(3DOWNTO0);--cq输出 cout :OUTstd_logic); --cout进位输出 END cnt4; ARCHITECTURE behave OF cnt4 IS BEGIN PROCESS(clk,rst,en) VARIABLE cqi :std_logic_vector(3DOWNTO0); BEGIN IF rst = '1' THEN cqi :=(OTHERS=>'0');-- 计算机异步复位 ELSIF clk='1' and clk'eventTHEN -- 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 <15 THEN cqi := cqi +1; -- 允许计数，检测是否小于15 ELSE cqi :=(OTHERS=>'0'); -- 大于15，计数值清零 ENDIF; ENDIF; ENDIF; IF cqi =15THEN IF clk='1' and clk'eventTHEN cout <= '1'; -- 计数大于15，输出进位信号 ENDIF; ELSE cout <='0'; ENDIF; cq <= cqi; -- 将计数值送往输出端口 ENDPROCESS; END behave;
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代码块1 修改后的cnt4代码