### 电子科技大学计算机组成原理实验课1-实验4：中小规模时序逻辑设计 #### 实验背景及目标 本实验是电子科技大学计算机组成原理课程的一部分，主要针对中小规模时序逻辑设计这一主题展开实践教学。实验的目标是让学生通过具体操作熟悉和掌握74x161计数器的功能及其应用，尤其是如何利用该计数器实现不同模值的计数器设计。通过本实验，学生可以深入理解时序逻辑电路的基本原理，并能够运用这些原理来解决实际问题。 #### 实验重点内容解析 **1. 74x161计数器的逻辑功能** - **异步清零**: 当CLEAR端口接收到低电平(0)时，无论其他输入端的状态如何，计数器都会被清零。 - **同步并行置数**: 在时钟脉冲的上升沿到来时，如果LOAD端口处于低电平(0)，则计数器会将并行输入端D、C、B、A的数据加载到计数器中。 - **二进制同步加法计数**: 当CLEAR端口处于高电平(1)，LOAD端口也处于高电平(1)，且Enable P和Enable T都处于高电平(1)时，计数器会根据输入的时钟脉冲信号进行加法计数。 - **保持功能**: 当COUNT端口处于高电平(1)，LOAD端口也处于高电平(1)，但Enable P或Enable T之一处于低电平(0)时，计数器将保持当前状态不变。 **2. 实验内容分析** - **测试单个74x161计数器**: 使用1Hz时钟信号作为输入，通过LED灯显示计数器的状态变化，验证其基本逻辑功能。 - **级联两片74x161实现模256计数器**: 通过将一片计数器的进位输出(RCO)连接到另一片计数器的时钟输入(CLK)，从而实现模256计数器的设计。 - **实现模6和模10计数器**: 通过对74x161计数器的适当修改，如使用非门、或门等小规模逻辑门电路，设计出特定模值的计数器。 - **实现模60计数器**: 将两个不同模值的计数器级联起来，一个负责模6计数，另一个负责模10计数，最终通过适当的电路连接实现模60计数器。 **3. 实验原理详解** - **74x161计数器的逻辑功能**: - **Clock**: 时钟脉冲输入端，通常在上升沿触发计数操作。 - **CLEAR**: 异步清零端，当此端为低电平时，计数器会被清零。 - **LOAD**: 同步置数端，用于加载数据。 - **Enable P/Enable T**: 计数器工作状态控制端，用于控制计数器的工作模式。 - **D~A**: 数据输入端，用于同步置数操作。 - **RCO**: 进位信号输出端，用于级联多个计数器。 - **QD~QA**: 输出端，表示计数器的当前状态。 - **实验设计要点**: - **级联设计**: 通过将一个计数器的进位输出连接到下一个计数器的时钟输入来实现更高模值的计数器。 - **非门、或门等小规模逻辑门的应用**: 在设计特殊模值的计数器时，可以使用这些逻辑门来改变计数器的行为，例如在达到特定值时重置计数器。 - **组合逻辑设计**: 根据所需计数器的功能，设计合适的逻辑电路来满足需求。 **4. 实验器材** - 数字逻辑实验箱 - 74HC04（非门） - 74HC32（或门） - 74HC00（与非门） - 74HC86（异或门） - 74HC153（数据选择器、多路复用器） - 74HC161 计数器 2 片 **5. 实验步骤** - **查阅资料**: 查阅74x161的数据手册，了解其功能。 - **连接电路**: 根据实验内容连接输入和输出导线。 - **观察结果**: 观察指示灯的显示是否符合预期。 - **组合逻辑设计**: 设计输出的与或式，根据实验箱上的实际芯片进行逻辑表达式的变换。 - **测试功能**: 测试电路是否完成了相应的逻辑功能。 **6. 实验数据记录** - 对于每种计数器的设计，都需要记录实际的测试数据，并与理论值进行对比。 **7. 结论** 通过本次实验，学生不仅掌握了74x161计数器的基本功能和使用方法，还学会了如何利用该计数器和其他逻辑门设计出不同模值的计数器。此外，实验还锻炼了学生的实践能力和逻辑思维能力，为进一步学习更复杂的时序逻辑电路打下了坚实的基础。

### 电子科技大学计算机组成原理实验课1-实验5：Verilog时序逻辑设计 #### 实验概述 本次实验是电子科技大学计算机组成原理课程中的一个重要环节，主要目标是通过实际操作来掌握时序逻辑电路的设计方法，特别是使用Verilog硬件描述语言进行设计与仿真的过程。实验分为五个主要部分，包括边沿D触发器74x74、4位通用移位寄存器74x194、3位最大序列长度线性反馈移位寄存器（LFSR）、4位同步计数器74x163以及基于74x163设计的1Hz数字信号发生器。 #### 实验目的 1. **理解并掌握边沿D触发器74x74、同步计数器74x163、4位通用移位寄存器74x194的工作原理。** 2. **使用Verilog语言对这些基本组件进行设计与仿真。** 3. **设计一个3位LFSR计数器，并实现其功能。** 4. **设计一个1Hz数字信号发生器，作为LFSR计数器的时钟信号。** #### 实验内容详解 **1. 边沿D触发器74x74** - **工作原理**：边沿D触发器是一种基本的存储单元，具有置位和清零功能。当CLK（时钟信号）上升沿到来时，根据D输入的状态更新输出Q的状态。 - **Verilog设计**：使用Verilog代码描述该触发器的行为。例如，下面给出了一个简单的边沿D触发器的Verilog实现： ```verilog `timescale 1ns / 1ps module D(CLK, D, PR_L, CLR_L, Q, QN); input CLK, D, PR_L, CLR_L; output Q, QN; wire w1, w2, w3, w4; nand(w1, PR_L, w2, w4); nand(w2, w1, CLR_L, CLK); nand(w3, w2, CLK, w4); nand(w4, w3, CLR_L, D); nand(Q, PR_L, w2, QN); nand(QN, Q, w3, CLR_L); endmodule ``` **2. 4位通用移位寄存器74x194** - **工作原理**：4位通用移位寄存器允许数据按照指定的方向（左移或右移）移动，并可以通过不同的控制信号进行串行或并行加载数据。 - **Verilog设计**：使用Verilog描述74x194的逻辑行为。例如，可以使用如下的Verilog代码实现： ```verilog `timescale 1ns / 1ps module shift_register(DS, SH_LDS, MR, QS, QD); input [3:0] DS; input SH_LDS, MR; output reg [3:0] QS, QD; always @(posedge SH_LDS or posedge MR) begin if (MR) begin QS <= 0; QD <= 0; end else begin QS <= DS; QD <= QS << 1; end end endmodule ``` **3. 3位LFSR计数器** - **设计原理**：LFSR是一种特殊的移位寄存器，通常用于生成伪随机数序列。在这个实验中，需要设计一个3位的LFSR计数器。 - **Verilog设计**：利用上面提到的4位通用移位寄存器74x194和一些额外的逻辑门来构建3位LFSR计数器。设计时需要考虑反馈路径的构造。 **4. 4位同步计数器74x163** - **工作原理**：同步计数器能够在时钟信号的作用下递增计数。 - **Verilog设计**：使用Verilog语言实现74x163的功能。例如，可以使用以下代码： ```verilog `timescale 1ns / 1ps module counter(CLK, LD, ENP, Q, CO); input CLK, LD, ENP; output reg [3:0] Q; output reg CO; always @(posedge CLK or posedge LD) begin if (LD) begin Q <= 4'b0000; end else if (ENP) begin Q <= Q + 1; end end assign CO = (Q == 4'b1111); endmodule ``` **5. 1Hz数字信号发生器** - **设计原理**：利用74x163和其他小规模逻辑门设计1Hz的数字信号发生器。假设输入为100MHz，需要设计一个分频器来将频率降低到1Hz。 - **Verilog设计**：设计一个分频器，将100MHz的输入时钟信号分频为1Hz。这通常涉及多个计数器级联和适当的控制逻辑。 #### 实验总结 本次实验不仅让学生掌握了基本时序逻辑电路的设计方法，还学会了如何使用Verilog语言进行电路设计和仿真。通过具体的实验任务，学生能够深入理解各种时序逻辑元件的工作机制，并将其应用于实际的电路设计中。这对于未来从事计算机组成原理相关领域的学习和研究都是非常有帮助的。

设计一个篮球比赛用24秒计时器，要求计时器具有以下基本功能： 1， 计时采用倒计时方式，计时精度为十分之一秒； 2， 用三位数码管显示计时时间； 3， 可用开关（或按钮）实现计时器的24秒倒计时的起动、暂停/恢复计时和清零控制； 提示：所需要的0.1秒计数脉冲信号可由1KHz标准时钟信号分频产生。 有Multisim仿真文件及电路操作方法

1．时钟输入采用实验箱的1Hz信号（在电源开关下面），分别测试两片74x161的逻辑功能。由于数码管不能显示A-F，所以用LED灯显示计数器的输出状态。 2．将两片74x161进行级联，实现模256计数器，用LED灯显示计数器的输出状态。 3．用两片74x161分别实现模6和模10计数器，用数码管显示计数器的输出状态。再将两片74x161进行级联，实现模60计数器，用数码管显示计数器的输出状态。 4.拓展题：任选一个设计下列十进制计数器：模24、模28、模29、模30、模31、模100。

数字电路根据逻辑功能的不同特点，可以分成两大类，一类叫组合逻辑电路（简称组合电路），另一类叫做时序逻辑电路（简称时序电路）。 1．组合逻辑概念组合逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关，不涉及对信号跳变沿的处理，无存储电路，也没有反馈电路。通常可以通过真值表的形式表达出来。 2．组合逻辑的Verilog HDL 描述根据组合逻辑的电路行为，可以得到两种常用的RTL 级描述方式。第一种是always 模块的触发事件为电平敏感信号列表；第二种就是用assign 关键字描述的数据流赋值语句。 （1）always 模块的敏感表为电平敏感信号的电路always模块的敏感列表为所有判断条件信号和输入信号，但一定要注意敏感列表的完整性。在always 模块中可以使用if、case 和for 等各种RTL 关键字结构。由于赋值语句有阻塞赋值和非阻塞赋值两类，建议读者使用阻塞赋值语句“=”。always 模块中的信号必须定义为reg 型，不过最终的实现结果中并没有寄存器。这是由于在组合逻辑电路描述中，将信号定义为reg型，只是为了满足语法要求。 （

数字电路基础之时序逻辑电路讲义来自中国科学技术大学

山东大学FPGA实验参考与报告 实验三时序逻辑电路计数器设计

电工电子技术基础

数码管、按键、开关的管脚和控制方式等信息请参考本文件“5.1 实验3.2 相关说明”以及“EGo1用户手册.pdf和EGO1电路原理图.pdf”4、实验3.2系

内容：本内容为20级线上数电实验五（秒表初步(Moore型时序逻辑电路））的实验报告（.docx文件） 作者：江南大学物联网工程学院20级学生。 本文件仅作为参考，如有错误希望各位同学能够指出。文件仅作参考，还需多动手多实践。