【verilog】含异步清零和同步使能的加/减法计数器

• 实验目的
  1. 掌握二进制计数器的工作原理。
  2. 能使用verilog设计计数器。

3、进一步熟悉QUARTUSII软件的使用方法和verilog输入方式

• 实验原理与内容

1. 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，是含异步清零和同步使能的具有并行载入功能的加/减法计数器。其具体工作过程如下：

复位信号有效（低电平有效）时，计数值清零。并行载入控制信号有效时，并行数据输入端的数据存入计数器中。使能信号有效时，根据加减法控制信号来进行加法或者减法计数。具有并行载入数据功能的4位加法计数器原理图如图所示。请参考该图，设计具有异步复位和加/减法功能的计数器。

2.实验内容

本实验要求完成的任务是使用verilog和Quartus II，设计一个4位2进制计数器，并在可编程逻辑器件中实现。在时钟信号的作用下，通过加减控制信号、使能端、并行载入控制信号和复位信号来控制完成加/减法计数和并行载入数据的功能。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，用一位拨动开关K2表示加减控制信号，用一位拨动开关K3表示并行载入数据控制信号，用拨动开关K4~K7表示4位并行载入数据，用复位开关S1表示复位信号，用LED模块的LED1～LED4来表示4位计数器的二进制计数值，用LED12表示加/减法计数时的进位/借位信号。实验LED亮表示对应的位为‘1’，LED灭表示对应的位为‘0’。通过输入不同的值实现计数器的工作时序，观察计数的结果。

数字时钟信号模块的电路原理如图所示，

下表是其时钟输出与FPGA的管脚连接表。

信号名称	对应FPGA管脚名	说明
DIGITAL-CLK	K7	数字时钟信号送至FPGA的K7

按键开关模块的电路原理如下图所示，下表是按键开关的输出与FPGA的管脚连接表。

信号名称	FPGA I/O名称	核心板接口管脚号	功能说明
S[0]	Pin_B12	JP1_79	‘S1’ Switch
S[1]	Pin_B11	JP1_77	‘S2’ Switch
S[2]	Pin_V4	JP3_56	‘S3’ Switch
S[3]	Pin_T4	JP3_52	‘S4’ Switch
S[4]	Pin_P3	JP3_48	‘S5’ Switch
S[5]	Pin_AB11	JP3_40	‘S6’ Switch
S[6]	Pin_A12	JP3_78	‘S7’ Switch
S[7]	Pin_A11	JP3_76	‘S8’ Switch
S[8]	Pin_V5	JP1_55	‘S9’ Switch
S[9]	Pin_T3	JP1_51	‘S10’ Switch
S[10]	Pin_AA12	JP3_43	‘S11’ Switch
S[11]	Pin_T1	JP3_11	‘S12’ Switch

三．实验过程

1.打开QUARTUSII软件，新建一个名为exp2的工程

2.建完工程之后，再新建一个verilog文件，打开verilog编辑器对话框编写verilog程序如下：

module exp2(R,Resetn,Clk,Load,En,up_down,Count,Q);
    /*
    * 说明：
    * R         输入向量    提供并行数据
    * Resetn    复位输入
    * Clock     时钟信号 
    * Load      Load==0（计数模式）     Load==1（加载模式）
    * En        使能输入端
    * up_down   用于识别计数器执行加/减运算
    * Q         输出向量 
    * Count     进位/借位信号
    */
    input [3:0]R;
    input Resetn,Clk,Load,En,up_down;
    output reg [3:0]Q;
    output reg Count;

    reg Clock_1hz;          //1Hz分频新信号
    reg [26:0]Counter;      //计数器用于分频时计数


    //实现50MHz到1Hz分频操作，产生频率为1Hz的时钟信号
    always @(posedge Clk)
    begin
        if(Counter == 'd25000000)
        begin
            Clock_1hz <= ~Clock_1hz;
            Counter <= 0;
        end
        else
            Counter <= Counter + 1;
    end
  //主程序部分，实现键控加法减法计数、并行载入数据、进位/借位输出
    always @(negedge Resetn,posedge Clock_1hz)
    begin
        if(Resetn == 0)
		  begin
            Q <= 0;
				Count<=0;
			end
        else if(Load)
            Q <= R;
        else if(En)
        begin
            Q <= Q + (up_down ? 1 : -1);
            if(up_down)
                Count = (Q[3]&Q[2]&Q[1]&Q[0]);
            else
                Count = (!(Q[3]|Q[2]|Q[1]|Q[0]));
        end
	end
endmodule

3.对编写的verilog程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。

波形图如下：

4.编译仿真无误后，依照拨动开关、LED与FPGA的管脚连接表或参照实验箱用户手册进行管脚分配，分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效，管脚分配图如下：

实验结果：

不拨动开关，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0000；

拨动开关K4，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0001；

拨动开关K5，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0010；

拨动开关K5K4，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0011；

拨动开关K6，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0100；

拨动开关K6K4，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0101；

拨动开关K6K5，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0110；

拨动开关K6K5K4，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为0111；

拨动开关K7，即K7 K6 K5 K4表示D3 D2 D1 D0为1000；

拨动开关K1，使得CLK信号为1，计数器开始工作，前四个LED灯通过8421码计数0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000并通过显示屏显示出数字，可以通过开关K2设置递增计数与递减计数，通过LOAD端表示存入一个数并从此数开始计数，通过Reset端进行复位清零，达到所需功能。

四、实验总结

本实验最重要的是设计到复位清零端进行复位清零，对于递增计数与递减计数的设置需要清除verilog代码编写上的问题，设置Load端控制存入所需数字时高位低位互相对应，否则会产生一些不必要的问题，造成一些麻烦，在进行管脚分配的时候也要一一对应。