电子设计自动化实验 实验三 频率计制作

电子设计自动化实验 实验三

EDA

一.实验名称：综合性实验三、硬件描述语言的层次化设计

二.实验目的：

熟悉 EDA 软件（QuartusII）的硬件描述语言输入设计方法；
掌握 VHDL 语言的层次化设计方法和仿真分析方法；
了解功能仿真、时序仿真和时序参数分析的意义。

三.实验内容：

采用层次化设计的方法，用 VHDL 语言的元件例化语句写出 4 位十进制频率计的顶 层文件，并分别给出其测频功能和时序仿真分析波形图，并加以分析；**
用 EDA 实验箱进行硬件验证，并分析测量结果;建议硬件测试实验电路采用 NO.0 电 路结构，待测信号 F_IN 接 clock0；测频控制时钟 CLK 接 clock2；**
用嵌入式逻辑分析仪 SignalTap II 实际监测 4 位十进制频率计中计数器模块和测 频控制器模块在 FPGA 的工作情况（以 F_IN 为逻辑分析仪的工作时钟，触发条件 DIN=0、CLK 上升沿）。**

四.实验原理：

1.测频原理：

　　有一个测频控制器，这个测频控制器由一个输入信号和三个输出信号构成。分别是：

1.输入信号：CLKK    --输入一个频率为1Hz的信号用于产生分频信号
2.输出信号：CNT_EN  --通过分频信号得到一个时长为1秒的计数使能信号，用来控制计数器
3.输出信号：LOAD    --对分频信号取反得到一个和计数使能信号相反的置数使能信号，用来控制锁存器
4.输出信号：CLR_CNT --在停止计数期间和置数完成后，产生一个计数器清零信号，清空计数器，以便下次测量

测评控制器原理图


2.频率计原理：

　　测频控制器的计数使能信号CNT_EN能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器CNT4的ENA使能端进行同步控制。当CNT_EN高电平时，允许计数；低电平时停止计数，并保持其所计的脉冲数。在停止计数期间，首先需要产生一个锁存信号LOAD，在该信号上升沿时，将计数器在前1秒钟的计数值锁存进各锁存器LTCH4中，并由外部的7段译码器译出，显示计数值。设置锁存器的好处是，显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。锁存信号之后，必须有一清零信号CLR_CNT对计数器进行清零，为下1秒钟的计数操作作准备。

图片

五.实验代码

　　用元件例化的方法来实现频率计的功能。需要在频率计代码中调用测评控制器，锁存器，计数器的代码。

1.测频器代码：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY LAB_03 IS
PORT (
CLK,FSIN : IN STD_LOGIC;
OUT1 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
OUT2 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
OUT3 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
OUT4 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
OUT5 : OUT STD_LOGIC
);
END ENTITY LAB_03;

ARCHITECTURE bhv OF LAB_03 IS
COMPONENT CNT4                                 --调用计数器模块
PORT ( CLK,RST,EN : IN STD_LOGIC     --为便于识别端口名与调用实体相同（可不同）
DOUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
COUT : OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;
COMPONENT LTCH4                               --调用锁存器模块
PORT ( CLK : IN STD_LOGIC;
D : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END COMPONENT;
COMPONENT FTCTRL                              --调用测频控制器模块
PORT ( CLKK : IN STD_LOGIC;
CNT_EN : OUT STD_LOGIC;
RST_CNT : OUT STD_LOGIC;
LOAD : OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;

SIGNAL NET1,NET2,NET3 : STD_LOGIC;               --定义若干信号作为内部走线
SIGNAL D1,D2,D3,D4 : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
SIGNAL DOUT1,DOUT2,DOUT3,DOUT4 : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); --cnt4out
SIGNAL COUT1,COUT2,COUT3 : STD_LOGIC; --cnt4out

BEGIN      --需要一个测评控制器，四个计数器，四个锁存器。分别定义每个元件端口映射
U1: FTCTRL PORT MAP(CLKK=>CLK,CNT_EN=>NET1,RST_CNT=>NET2,LOAD=>NET3);

U2 : CNT4   PORT MAP(CLK=>FSIN,EN=>NET1,RST=>NET2,DOUT=>D1,COUT=>COUT1);
U3 : CNT4   PORT MAP(CLK=>COUT1,EN=>NET1,RST=>NET2,DOUT=>D2,COUT=>COUT2);
U4 : CNT4   PORT MAP(CLK=>COUT2,EN=>NET1,RST=>NET2,DOUT=>D3,COUT=>COUT3);
U5 : CNT4   PORT MAP(CLK=>COUT3,EN=>NET1,RST=>NET2,DOUT=>D4,COUT=>OUT5);

U6 : LTCH4  PORT MAP(CLK=>NET3,D=>D1,Q=>OUT1);
U7 : LTCH4  PORT MAP(CLK=>NET3,D=>D2,Q=>OUT2);
U8 : LTCH4  PORT MAP(CLK=>NET3,D=>D3,Q=>OUT3);
U9 : LTCH4  PORT MAP(CLK=>NET3,D=>D4,Q=>OUT4);

END ARCHITECTURE bhv;

关于这段代码做以下两个简单说明

内部连接线：简单理解元件例化语句的功能，元件例化就是引入一种连接关系，将预先好的设计实体定义为一个元件，然后利用特定的语句将此元件与当前的设计实体中的指定端口连接。信号量就是用于内部多元件连接的端口。通过这个端口，两元件相对的映射连接起来。不同的是，这个端口并不区分端口模式（IN/OUT/INOUT/BUFFER），但区分端口的数据类型(STD_LOGIC/STD_LOGIC_VECTOR等)。因此“=>”是连接符号。

关于元件个数：在这个实体中共使用了九个元件，即U1~U9。其中计数器模块和锁存器模块都用了4个。所以为了区分，要个每个元件唯一的例化名，即U1~U9。然后再分别说明是哪个元件，并用端口映射去做连接。可用RTL图形观察器去检查连续是否正确。

U1 : FTCTRL PORT MAP(CLKK=>CLK,CNT_EN=>NET1,RST_CNT=>NET2,LOAD=>NET3);

U1为测评控制器，内部有四个信号。其中CLKK连接端口CLK，剩余三个输出分别连到内部信号端口NET1/2/3,以待其他元件连接即可联通。

RTL图示


附上调用的三个元件的代码

计数器

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY CNT4 IS
PORT (CLK,RST,EN : IN STD_LOGIC;
DOUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
COUT : OUT STD_LOGIC);
END CNT4;
ARCHITECTURE behav OF CNT4 IS
BEGIN
PROCESS(CLK, RST, EN)
VARIABLE Q : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
BEGIN
IF RST='1' THEN   Q := (OTHERS=>'0');
ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN
IF EN='1' THEN
IF Q <9 THEN Q := Q + 1;
ELSE Q := (OTHERS =>'0'); END IF;
END IF;
END IF;
IF Q ="0000" THEN COUT<='1';
ELSE    COUT<='0';
END IF;
DOUT <= Q;
END PROCESS;
END behav;

锁存器

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY LTCH4 IS
PORT (CLK : IN STD_LOGIC;
D : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END LTCH4;
ARCHITECTURE bhv OF LTCH4 IS
BEGIN
PROCESS(CLK,D)
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK ='1' THEN Q <= D;
END IF;
END PROCESS;
END bhv;

测评控制器

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY FTCTRL IS
PORT(CLKK : IN STD_LOGIC;
CNT_EN : OUT STD_LOGIC;
RST_CNT : OUT STD_LOGIC;
LOAD : OUT STD_LOGIC);
END FTCTRL;
ARCHITECTURE bhv OF FTCTRL IS
SIGNAL DIV2CLK : STD_LOGIC;
BEGIN
PROCESS( CLKK ) BEGIN
IF CLKK'EVENT AND CLKK = '1' THEN
DIV2CLK <= NOT DIV2CLK;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS( CLKK,DIV2CLK) BEGIN
IF CLKK='0' AND DIV2CLK='0' THEN RST_CNT <= '1';
ELSE RST_CNT <= '0';
END IF;
END PROCESS;
LOAD <= NOT DIV2CLK;
CNT_EN <= DIV2CLK;
END bhv;

六.SignalTap II图示