实验四4位计数器设计.docx

实验四的目的是让学生熟悉使用Quartus II和ModelSim软件，掌握原理图和Verilog HDL混合输入设计方法，以及4位计数器的设计与仿真流程。在这个实验中，学生需要设计一个4位计数器，并在KX3C10F+开发板上实现，同时编写计数器模块CNT4B和数码管译码驱动模块DECL7S的Verilog HDL代码，完成整个系统的仿真。 实验原理基于FPGA内部电路，设计的4位计数器是一种常见的数字逻辑电路，用于计数一定范围内的脉冲。在这个案例中，计数器模块CNT4B需要包含四个二进制计数单元，可以实现从0000到1111的计数，即从0到15。模块通常包括输入时钟CLK、复位RST信号，输出out连接到数码管译码驱动模块DECL7S，用于显示当前计数值。 计数器的工作原理是，每当CLK上升沿到来时，计数器的值加1，如果计数达到最大值（1111），则会自动回零，形成循环计数。RST信号用于将计数器重置到初始状态（通常是0）。模块CNT4B的Verilog HDL代码可能包含如下的结构： ```verilog module CNT4B( output reg [3:0] out, input wire CLK, input wire RST ); always @(posedge CLK or posedge RST) begin if (RST) out <= 4'b0000; else out <= out + 1'b1; end endmodule ``` 数码管译码驱动模块DECL7S的作用是将4位二进制数转换为7段数码管的控制信号，使得数码管能够正确显示对应的数字。译码过程涉及查找对应于输入二进制数的7段码，每段对应一个LED，可以开启或关闭。例如，对于4位二进制数0001（十进制1），译码器将输出特定的7段码，点亮数码管的相应部分显示数字1。 在实验设备方面，使用KX3C10F+开发板，这是一块集成了FPGA的硬件平台，允许用户在板上实现和测试数字电路设计。电脑则用于运行Quartus II和ModelSim软件，进行设计、编译和仿真。 在编译阶段，Quartus II会分析Verilog代码，将高级描述转化为具体的逻辑门级表示，占用FPGA中的逻辑元素（LEs）。实验数据显示，11个LEs被用作组合逻辑，4个用于时序逻辑。组合逻辑负责无记忆的计算功能，而时序逻辑包含存储元件，如寄存器，用于保存数据并响应时钟信号变化。 通过查看综合出来的电路图，可以看到CNT4B模块和segled模块（七段数码管显示）的连接。CLK和RST信号分别连接到计数器模块的输入，输出连接到译码驱动模块，以驱动数码管显示计数器的当前值。 在实验步骤中，除了设计和编译外，还需要对设计进行仿真验证。仿真测试模块（test module）会发送模拟的CLK和RST信号，并检查输出是否按预期工作。这通常涉及创建各种测试向量，以覆盖所有可能的计数情况和边界条件。 通过这个实验，学生不仅能够学习到FPGA设计的基本流程，还能深入理解计数器和数码管译码器的工作原理，为未来更复杂的数字系统设计打下坚实基础。