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计数器与计时器

实验背景

74LS161

74LS161 芯片具有同步四位二进制计数器功能，其引脚如下：

  • CP：接入时钟信号，上升沿触发
  • CRn：清零端，低电平有效，且为异步清零
  • LDn：置数控制端，低电平有效
  • D3~D0：置数数据端，当 LDn 有效时将数据写入
  • CTT, CTP：使能端，两脚均为高电平时启用计数功能，任意一脚为低电平时计数器保持原状态
  • Q3~Q0：数据输出端
  • CO：进位输出端，当输出位均为 1 时置 1

请特别关注输出改变时机：异步清零意味着不论时钟信号为何当清零端有效时立即改变输出为 0；清零外的所有输出改变都发生在时钟上升沿（包括置数与计数）。

其功能表如下：

时序图

提供时序图帮助理解：

x进制计数器

74LS161 提供了十六进制计数器的功能，我们可以通过反馈清零和反馈置位等方法得到任意进制的计数器，本实验中只使用反馈清零的设计方法。

所谓“反馈清零”指的是用输出 Q3~Q0 的值决定何时清零，即清零端 CRn 是关于 Q3~Q0 的函数。以十进制计数器的设计为例，我们期望输出值为 0~9 十个状态，也就需要在将输出 10 时进行清零。十进制数 10 的二进制表示是 b1010，我们得到清零端为 \(\overline{CR} = \overline{Q_3\overline{Q_2}Q_1\overline{Q_0}}\)，注意到输出从 0 开始自增，到 b1010 时是第一次 Q3, Q1 同时为 1 的状态(b0000->b0001->...->b1010)，因此我们可以简化清零端为 \(\overline{CR} = \overline{Q_3Q_1}\)，得到了如下电路，其功能为十进制计数器：

在这里可能有一个疑问“为什么不在输出值为 9 时(b1001)进行清零”，之前提到芯片的复位是异步的，与时钟信号无关，在输出变为 10 的时钟上升沿后很短的时间内，复位信号变为有效，进而将输出清零，我们并不去考虑这段很短的时间可能造成的影响。而如果在输出值为 9 时进行清零，则实际得到的是“九进制”计数器。

如果希望拓展计数器的位宽，则需要多个计数器相连，以256 进制计数器为例，使用两片 74LS161，高 4 位的一个使能端接低 4 位计数器的进位端，在低 4 位输出为 b1111 时进位信号升起，使高位片在下个时钟上升沿时自增。

结合刚刚介绍的两个计数器的设计特点，我们可以设计出任意进制的计数器（在不考虑具体时延影响的前提下），比如一个五十进制计数器，其输出状态应为 0~49，在输出应为 50 时(b0011_0010)进行清零。容易得到其清零端应为高位片的 Q1, Q0 与低位片的 Q1 的与非，即 \(\overline{CR} = \overline{Q_1'Q_0'Q_1}\)，同时需要将低位片的进位信号连接到高位片的使能端。

实现 74LS161 功能

提供代码框架如下，请实现 74LS161 芯片功能，接口定义等内容见实验背景。实现后对 My74LS161 进行仿真。

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module My74LS161(
    input CP,
    input CRn,
    input LDn,
    input [3:0] D,
    input CTT,
    input CTP,
    output [3:0] Q,
    output CO
);

    reg [3:0] Q_reg = 4'b0;

    always @(posedge CP or negedge CRn) begin
        if(!CRn) begin
            // reset
        end else begin
            //
        end
    end

    assign Q = Q_reg;
    assign CO = (Q == 4'hF);

endmodule

74LS161 应用

请注意

请从“223 进制计数器”和“时钟应用”中选择一个来完成，如果选择“223 进制计数器”则本实验获得分数不超过 70。

关于实现

清零端和置数端应书写为 CRn = ~(Q == 4'b1010) 或 CRn = ~(Q[3] & ~Q[2] & Q[1] & ~Q[0])。请不要写成实验背景中的 CRn = ~(Q[3] & Q[1])。

223 进制计数器

请仿照五十进制计数器，使用 My74LS161 模块实现一个“223进制”计数器，其状态输出为 0-222。实现后进行仿真验证。其中 rstn 为异步复位，低位有效。

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module counter_223(
    input clk,
    input rstn,     // Active-low, reset Q to 0
    output [7:0] Q
);

时钟应用

要求实现一个格式为“小时：分钟”的时钟应用，使用 Arduino 板上的七段数码管进行输出。使用 SW[0] 选择时钟速度，使用 SW[1] 对时钟进行“重置”（重置为 23:00）。

top 模块框架如下，请补充代码，获得正确的 hour_tens, hour_ones, min_tens, min_ones，要求必须使用 My74LS161 模块。

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

    wire clk_10ms;
    wire clk_100ms;
    // clk_1s used in LabA
    clk_10ms clk_div_10ms (.clk(clk), .clk_10ms(clk_10ms)); // Refer to the code of clk_1s to complete these modules
    clk_100ms clk_div_100ms (.clk(clk), .clk_100ms(clk_100ms)); 

    wire clk_counter = (SW[0] == 1'b0) ? clk_10ms : clk_100ms; // Connect this clk_counter to CP-port of 74LS161

    wire [3:0] hour_tens;
    wire [3:0] hour_ones;
    wire [3:0] min_tens;
    wire [3:0] min_ones;

    // Your code here to get the correct HOUR and MINUTE

    // Module written in Lab 7
    DisplayNumber display_inst(.clk(clk), .hexs({hour_tens, hour_ones, min_tens, min_ones}), .points(4'b0100), .rst(1'b0), .LEs(4'b0000), .AN(AN), .SEGMENT(SEGMENT));

endmodule

需要注意：

  • 分钟部分状态为 0~59
  • 小时部分状态为 0~23
  • 为每个 My74LS161 实例的 LDn, D3~D0 接线，使得 SW[1] == 1 时将时间设置为 23:00

一个可行的设计思路是，使用四个 My74LS161 实例分别存储 hour_tens, hour_ones, min_tens, min_ones 的值，你需要设计合适的清零与进位时机，如分钟(min_tens, min_ones)达到 59 后对时钟进位并清零。

请自行书写约束文件，并进行下板验证。

实验报告要求

实现 74LS161 功能

  • 模块 My74LS161 代码
  • 仿真代码，仿真波形与解释

74LS161 应用

  • 若选择了“223 进制计数器”
    • 模块 counter_223 代码与解释
    • 仿真代码，仿真波形与解释
  • 若选择了“时钟应用”
    • 模块 top 代码与解释
    • 下板图片，能够证明功能完整即可