同步计数器

计数器用来存储特定事件或过程发生次数的设备，每个时钟输入的脉冲都会使计数器增加或减少。计数器电路通常由多个触发器级联连接而成。本实验设计的同步计数器，所有触发器的时钟输入端连接在一起，由输入时钟脉冲触发，所有触发器的状态是同时改变的。

四位同步二进制计数器

请注意

模块 Counter4b 必须使用原理图实现

四位二进制计数器输入时钟信号，输出为四位二进制值，二进制值从高位到低位分别是 Qd, Qc, Qb, Qa。每一个时钟信号的上升沿，{Qd, Qc, Qb, Qa} 的值就自增。根据功能描述，可以得到真值表如下，其中 Q 表示当前状态（输出），D 表示下一状态（下一个时钟上升沿到来后的输出）：

根据真值表，可以得到以下激励函数（略有问题，请自行解决）：

$$\begin{array}{rl}{D}_A& =\overline{Q_A}\\ D_B& =\overline{Q_A\oplus \stackrel{―}{Q_B}}\\ D_C& =\stackrel{―}{\overline{\stackrel{―}{Q_A}+\stackrel{―}{Q_B}}\oplus \overline{Q_C}}\\ D_D& =\stackrel{―}{\overline{\stackrel{―}{Q_A}+\stackrel{―}{Q_B}+\stackrel{―}{Q_C}}\oplus \overline{Q_D}}\end{array}$$

进位发生在四位数据均为 1 时，因此可以得到：

$$R_C=Q_A{Q}_B{Q}_C{Q}_D=\overline{\stackrel{―}{Q_A}+\stackrel{―}{Q_B}+\stackrel{―}{Q_C}+\stackrel{―}{Q_D}}$$

可以得到电路图，电路名为 Counter4b：

电路图中的 FD 为 D 触发器，但我们在 Lab9 中实现的触发器没有重置或初始化的值，因此在 Logisim 中画一个“空壳”即可，导出 Verilog 代码后，将 FD.v 中的内容替换如下：

module FD(
    input clk,
    input D,
    output Q,
    output Qn
);

    reg Q_reg = 1'b0;
    always @(posedge clk) begin
        Q_reg <= D;    
    end

    assign Q = Q_reg;
    assign Qn = ~Q_reg;

endmodule

请确保模块端口定义如下：

module Counter4b(
    input clk,
    output Qa, Qb, Qc, Qd,
    output Rc
)

仿真

自行书写仿真文件，对 Counter4b 进行仿真。

下板验证

顶层模块如下：

module Top( 
    input wire clk,
    output wire LED,
    output wire [7:0] SEGMENT,
    output wire [3:0] AN
);

    wire Qa;
    wire Qb;
    wire Qc;
    wire Qd;
    wire [3:0] Hex;

    /* module clk_1s at submodules/clk_1s.v */
    clk_1s m0(.clk(clk), .clk_1s(clk_1s));

    /* You need to implement module Counter4b */
    Counter4b m1(.clk(clk_1s), .Qa(Qa), .Qb(Qb), .Qc(Qc), .Qd(Qd), .Rc(LED));

    assign Hex = {Qd, Qc, Qb, Qa};

    // Please replace module below with your module completed in Lab 6
    // Pay attention to the correctness of the module name and port name
    // NOTE: SEGMENT and Segement are different port names

    // BTN[0]: LE, valid with value 0
    // BTN[1]: point, light with value 1
    // SW[7:4]: AN, light with value 1(AN[i] = ~SW[i+4])
    // SW[3:0]: number to display
    DispNum display(.BTN(2'b00), .SW({4'b0001, Hex}), .SEGMENT(SEGMENT), .AN(AN));

endmodule

子模块 clk_1s 文件 clk_1s.v与约束文件。

十六位可逆同步二进制计数器

与“四位可逆同步二进制计数器”相比，十六位可逆同步二进制计数器拓展位宽到 16 位，且添加了一个控制信号 s 用来选择“自增”或“自减”。

请确保你的计数器功能：

• 在时钟上升沿对输出 cnt 进行修改；当 s = 0 时进行自增，s = 1 时进行自减。
• 同步重置信号 rst 高位有效，即在时钟上升沿时若 rst = 1 才进行重置，重置时将 cnt 修改为 0。
• 非饱和计数，当前计数若为 16'hFFFF 则自增后为 16'h0；当前计数若为 16'h0 则自减后为 16'hFFFF。

请在以下代码的基础上进行修改：

/** module RevCounter
  * input
    *   clk: A clock signal driven by module clk_1s.
    *   s: 0 for increment, 1 for decrement
    * output
    *   cnt: a 16-bits register
    *   Rc: rise when the counter reset(i.e. carry will be set), that is, Rc becomes 1 when
    *           increment(s=0 & cnt=F) or decrement(s=1, cnt=0)
 */

//! NOTE: DO NOT CHANGE THE MODULE NAME & PORT NAMES
module RevCounter( 
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire s,
    output reg [15:0] cnt=0,
    output wire Rc
);

    /* Your code here */


endmodule

仿真

完成模块 RevCounter 后，自行书写仿真代码进行仿真。

下板验证

使用顶层模块进行下板验证，需要调用 Lab7 中实现的 DisplayNumber 模块，使用约束文件。：

module Top( 
    input wire clk,
    input wire [1:0] SW,
    output wire LED,
    output wire [7:0] SEGMENT,
    output wire [3:0] AN
);

    wire[15:0] cnt;
    wire [3:0] Hex;
    wire clk_1s;

    /* module clk_100ms at submodules/clk_1s.v */
    clk_1s clk_div_1s (.clk(clk), .clk_1s(clk_1s));

    /* You need to implement module RevCounter */
    RevCounter counter(.clk(clk_1s), .rst(SW[1]), .s(SW[0]), .cnt(cnt), .Rc(LED));

    // Please replace module below with your module completed in Lab **7**
    // imoprt submodules for module DisplayNumber from your prev. project
    DisplayNumber display(.clk(clk), .rst(1'b0), .hexs(cnt), .LEs(4'b0000), .points(4'b0000), .AN(AN), .SEGMENT(SEGMENT));

endmodule

实验报告要求

四位同步二进制计数器

• 四个触发器激励函数 Qx 的化简过程与结果。
• Counter4b 原理图截图。
• 仿真代码，仿真结果与对波形的解释。
• 下板拍照。

十六位可逆同步二进制计数器

• RevCounter 代码。
• 仿真代码，仿真结果与对波形的解释。