1、文檔來源為:從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.五比特紐環計數器設計一、設計要求：用D觸發器來設計一個五比特紐環計數器要求用觀察其計數器序列；2)列出至少三個制約系統正常工作的最高頻率的因素；3估計系統的最高工作頻率。二、設計原理：紐環計數器又叫作約翰遜計數器，五位紐環計數器由五個D觸發器構成，后四位D觸發器的輸入由分別由前一個的觸發器的輸出作為輸入，而最高位的輸入由最低位的輸出經過反向后輸入，因此五位紐環計數器的有效狀態位有2n個(這里n=5)所以有十個有效狀態，所以有32-10=22個狀態是非法的。我們使用五位計數器就是要使它在正常狀態中工作，才能達到理想的工作狀態，如果進入

2、了非法狀態，那么計數器就不能正常工作了。所以要使(B'00000')成為初始狀態這樣才能使得計數器進入非法狀態后經過初始才能使計數器回到正常狀態中去。因此根據這個原理我們可以建立初步的設計思想。三、實驗過程首先根據設計要求對五位紐環計數器的工作狀態進行分析，通過計算可文檔來源為：從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.以得出該計數器有以下幾個有效狀態:紐環計數器的真值表當前狀態下一個狀態B"00000"B"10000"B"10000"B"11000"B"11000"B&

3、quot;11100"B"11100"B"11110"B"11110"B"11111"B"11111"B"01111"1B"01111"B"00111"B"00111"B"00011"B"00011"B"00001"B"00001"B"00000"其余未列出的狀態均為非法狀態根據上面的真值表利用AHDL硬件設

4、計語言就可以在QuartusU軟件中進行設計。在設計中除了需要滿足正常狀態的循環計數以外，我們還應該注意計數器進入非法狀態后的工作情況，如果進入非法狀態系統就不會回到正常工作狀態了，這就需要在設計過程中對非法狀態進行編程，以便使得系統進入非法狀態后能自動回到正常狀態。這可以運用AHDL中的CASE語句,把非法狀態區分。（程序見附表）編程工作完成后就需要進行編譯，運用QuartusU軟件中的編譯工具可以對設計進行編譯來檢查所編程序的正確與否以便及時修改。編譯成功后下一步就是仿真，來驗證設計是否滿足題目所提出的要求。在設計中Mem表示觸發器的輸出，TOT9表示計數器在各有效狀態時產文檔來源為：從網

5、絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.生的脈沖，這可以作為計數器的解碼器表示計數器計數到了那個狀態。的通過仿真圖可以看見Mem的確是按照真值表的內容輸出的，TOT9在每個狀態時有且只有一個脈沖輸出。可見設計是滿足題目需要的。MtHuttVslufi*1488rcl油JL田卩丁I10031oTQ$nT1iL12I013JQio15J016J0TTJ0TBJ0TSHTiniBa!嚴:I4.8T5Tit80.Uis12(D1610ns00.Uh=MJOrtIII/HIMUUCJ1H1J0LI11XODHOOQ11JDOGO1(DO30QIMJOOlltjd)(在仿真波形圖中我們可以看到若計數

6、器工作在正常循環狀態，那么解碼器就可以輸出瀑布型脈沖來顯示當前計數狀態。我們可以借此來進行邏輯控制。作為設計最終我們要投入實際工作，所以要對設計工作狀態進行必要的時序分析。作為計數器我們要關心它的最大計數頻率。因此利用時序分析工具可以看到最大工作頻率。文檔來源為：從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.由下圖可以看見該計數器工作的最大頻率為422.12MHZ&T1EngTfioI&T1EngTfioIClochclockCuDelays20D210300150%35010040050>*450D四、試驗結論：五位紐環計數器是一種較為簡單的邏輯控制的實現，可以根據

7、當前的狀態準確地控制下一狀態。系統的狀態被一系列的組合邏輯所驅動，所以它的工作只有在：輸入的驅動功能（存儲元件的輸出）達到穩定；傳播時延（這文檔來源為:從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.種時延決定于組合邏輯與存儲元件的同步脈沖輸出的的時延）之后才能達到穩定。根據分析這就是影響計數器最大頻率的因素此外還有有：TSU（時鐘建立時間）Th（時鐘保持時間）Tco（時鐘到輸出延時）這幾種時延的長短決定了最大工作頻率。通過本次試驗，我具體進一步熟悉了QuartusU軟件的使用，初步掌握了編程技巧，加深了AHDL語言的使用的熟悉程度。進一步了解了時序分析在硬件設計中的重要性。附AHDL源程序

8、SUBDESIGN'twist5'(clock:INPUT;文檔來源為:從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.Mem4.0:OUTPUT;T9,T8,T7,T6,T5,T4,T3,T2,T1,T0:OUTPUT;)VARIABLEMem4.0:DFF;BEGINMem4.0.clk=clock;CASEMem4.0ISWHENB"00010",B"00100",B"01000"=>Mem4.0.d=B"00000"WHENB"10100",B"1001

9、0",B"10001",B"01100",B"01010",B"01001",B"00110",B"00101"=>Mem4.0.d=B"00000"WHENB"11010",B"11001",B"10110",B"10101",B"10011",B"01110",B"01101",B"010

10、11"=>Mem4.0.d=B"00000"WHENB"10111",B"11011",B"11101"=>Mem4.0.d=B"00000"WHENOTHERS=>Mem3.0.d=Mem4.1.q;Mem4.d=!Mem0;ENDCASE;%GENERATET0toT9%IF(Mem4.0=B"00000")THENT0=VCC;ELSET0=GND;ENDIF;IF(Mem4.0=B"10000")THENT1=VCC;E

11、LSET1=GND;ENDIF;IF(Mem4.0=B"11000")THENT2=VCC;ELSET2=GND;ENDIF;IF(Mem4.0=B"11100")THENT3=VCC;ELSET3=GND;ENDIF;IF(Mem4.0=B"11110")THENT4=VCC;ELSET4=GND;ENDIF;IF(Mem4.0=B"11111")THENT5=VCC;ELSET5=GND;ENDIF;IF(Mem4.0=B"01111")THENT6=VCC;ELSET6=GND;ENDIF;IF(Mem4.0=B"00111")THENT7=VCC;ELSET7=GND;E