计算机组成原理实验一

1、武汉轻工大学计算机组成原理实验报告姓名： 刘文斌 院系：数学与计算机学院班级：软件工程13 03班 学号： 1305110050 2015.11.9实验一 4位二进制计数器实验【实验环境】1. Windows 2000 或 Windows XP2. QuartusII9.1 sp2、DE2-115计算机组成原理教学实验系统一台。【实验目的】1、熟悉VHDL语言的编写。 2、验证计数器的计数功能。【实验要求】本实验要求设计一个4位二进制计数器。要求在时钟脉冲的作用下，完成计数功能，能在输出端看到0-9，A-F的数据显示。（其次要求下载到实验版实现显示）【实验原理】 计数器是一种用来实现计数功能的

2、时序部件，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能。计数器由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。计数器按计数进制不同，可分为二进制计数器、十进制计数器、其他进制计数器和可变进制计数器，若按计数单元中各触发器所接收计数脉冲和翻转顺序或计数功能来划分，则有异步计数器

3、和同步计数器两大类，以及加法计数器、减法计数器、加/减计数器等，如按预置和清除方式来分，则有并行预置、直接预置、异步清除和同步清除等差别，按权码来分，则有“8421”码，“5421”码、余“3”码等计数器，按集成度来分，有单、双位计数器等等，其最基本的分类如下：计数器的种类 下面对同步二进制加法计数器做一些介绍。 同步计数器中，所有触发器的CP端是相连的，CP的每一个触发沿都会使所有的触发器状态更新。因此不能使用T触发器。应控制触发器的输入端，即将触发器接成T触发器。只有当低位向高位进位时（即低位全1时再加1），令高位触发器的T=1，触发器翻转，计数加1。 例如由JK触发器组成的4位同步二进制

4、加法计数器，令其用下降沿触发。下面分析它的工作原理。 输出方程 驱动方程 状态方程 本实验中要求用VHDL语言设计同步4位二进制计数器，令其上升沿触发。说明：为了方便在QuartusII9.1 sp2中完成编译和功能仿真，我们选择芯片Cyclone II,EP2C70F896C6,而在DE2-115开发板中进行下载时，则需要选择与开发板相匹配的芯片Cyclone IVE 中的EP4CE115F29C7。（芯片选择见下文详述，注意每次变换芯片后都需要重新编译）【实验步骤】1.1 顶层VHDL文件设计1.1.1 创建项目工程 1.1.2 创建源程序文件（1）新建一个VHDL项目文件。图1.1.7

5、VHDL语言的程序代码 其中，CLK是时钟信号，CQ是4位数据输出端。每当检测到CLK出现一个上升沿时，计数器就自加1并输出结果。（3）键入程序后，点击保存，选择默认保存名。1.2 编译文件1.2.1 在对工程进行编译处理前，必须做好必要的设置： （1）选择目标芯片。目标芯片的选择也可以这样来实现：选择Assignments菜单中的Settings项，在弹出的对话框中选择Category项下的Device（也可以直接选择Assignments菜单中的Device项），然后选择目标芯片（方法同创建工程中的第5步）。（2）选择目标器件闲置引脚的状态。点击Assignments-Device，在De

6、vice & Pin Options窗口中，选择Unused Pin项，设置目标器件闲置引脚的状态为输入状态（呈高阻态As input tri-stated）。图1.2.1 设置目标器件闲置引脚的状态为呈高阻态1.2.2 编译文件。图1.2.2 编译文件 图1.2.3 编译成功 图1.2.4 编译完成后的QuartusII管理窗界面图1.2.5 RTL电路图 1.3 波形仿真图1.3.1 新建矢量波形文件图1.3.11 编译文件仿真成功后，点击确认按钮。图1.3.12 编译成功（9） 观察仿真结果，对比输入与输出之间的逻辑关系是否符合电路的逻辑功能。 图1.3.13 4位二进制计数器仿真波形图 如图所示，时钟每经过一个上升沿，输出加1，达到设计效果。1.4 下载验证要将设计文件下载到硬件芯片中，我们事先一定要准备好一块装有可编程逻辑