Сетевая библиотекаСетевая библиотека

Методичка по ПЛИС 1 Пивнев

Дата публикации: 14.11.2013
Тип: Текстовые документы DOC
Размер: 2.79 Мбайт
Идентификатор документа: -20837234_239924853
Файлы этого типа можно открыть с помощью программы:
Microsoft Word из пакета Microsoft Office
Для скачивания файла Вам необходимо подтвердить, что Вы не робот

Предпросмотр документа

Не то что нужно?


Вернуться к поиску
Содержание документа
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Южно–Российский Государственный Технический
Университет (Новочеркасский политехнический институт)
Кафедра автоматики и телемеханики











МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по курсу
Основы научных исследований. Исследование цифровых систем на основе ПЛИС













Новочеркасск 2010г.
УДК 621.38

Рецензент

Составители: Лачин В.И., Соломенцев К.Ю.






Методические указания к лабораторным работам по курсу Основы научных исследований. Исследование цифровых систем на основе ПЛИС. /Южно-Российский государственный технический университет. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009, ___ с.
Методические указания содержат цели, программы и методические указания для выполнения лабораторных работ по исследованию цифровых систем на основе ПЛИС. Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по курсу Основы научных исследований. Исследование цифровых систем на основе ПЛИС студентами 5-го курса специальностей 220201 – Управление и информатика в технических системах и 210106 – Промышленная электроника дневной формы обучения.










Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 2010.




1. Общие сведения о программируемых логических интегральных схемах

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) представляют собой интегральные схемы, которые могут программироваться пользователем для выполнения заданной функции. Для реализации комбинационных схем достаточно давно применяются программируемые логические матрицы (ПЛМ) [1].
Структура типовой ПЛИС приведена на рисунке 1.1. Схема имеет N триггерных ячеек ТЯ.1, ТЯ.2 ... ТЯ.N, M информационных входов I.1, I.2 ... I.M и вход синхронизации C. Выходы триггерных ячеек подключены к контактам I/O.1, I/O.2 ... I/O.N, которые могут программироваться в качестве входов или выходов в зависимости от структуры разрабатываемой схемы. Прямые и инверсные значения выходов триггерных ячеек, информационных входов и сигнала синхронизации подключены к логическому массиву соединений, выходами которого являются элементарные конъюнкции (термы) P.i.
К каждой триггерной ячейке подключается K выходов логического массива P.1, P.2 ... P.K. На рисунке 1.2 приведена схема триггерной ячейки. В состав триггерной ячейки входит триггер (обычно D-триггер), элемент ИЛИ, на входы которого подключается K термов P.1 ... P.K с выхода логического массива, схема сложения по модулю два М2, переключатели K1 и K2. На управляющий вход триггера поступает сигнал Q.D, формируемый в виде дизъюнктивных нормальных форм с возможностью инверсии на схеме М2. Синхронизация триггера обычно осуществляется от общего сигнала C. Во многих схемах предусмотрена возможность задания сигнала синхронизации из логического массива.

Рисунок 1.1 – Структура ПЛИС


Рисунок 1.2 – Триггерная ячейка

Переключатель K1 позволяет выдавать на выходной контакт как выход триггера Q, так и управляющий вход - Q.D. Сигнал OE=1 разрешает прохождение сигнала с контакта K1 на выход I/O.i. При OE=0 контакт I/O.i может при необходимости использоваться в качестве входа. Переключатель K2 определяет сигнал обратной связи F.i в логический массив: это может быть выход триггера или сигнал, поступающий на контакт I/O.i при использовании его в качестве входного. В ряде микросхем может использоваться двойная обратная связь F1.i и F2.i (рисунок 1.3), при использовании которой в случае, если выход триггера не выводится на контакт микросхемы, в логический массив соединений могут одновременно подключаться выход триггера Q (или его вход - Q.D) и контакт I/O.i, используемый как вход. Сигнал OE в этом случае равен нулю, т. е. запрещает прохождение сигнала с переключателя K1 на I/O.i. При необходимости при соответствующих положениях K1 и K2 в обратную связь могут поступать одновременно сигналы Q и Q.D.

Рисунок 1.3 – Триггерная ячейка с двойной обратной связью

На рисунке 1.4 показана упрощенная схема логического массива соединений. Каждый из сигналов F.1 ... F.N и I.1 ... I.K при необходимости может подключаться к любой из горизонтальных линий P1.1 ... PK.N. На выходах последних вырабатываются элементарные логические произведения (термы). Похожая организация используется в программируемых логических матрицах.


Рисунок 1.4 – Логический массив

Для создания конкретной схемы ПЛИС должна быть запрограммирована внешними схемами. При этом программируются как логический массив, так и триггерные ячейки [2]. При программировании ПЛИС могут использоваться четыре варианта: однократно прожигаемые перемычки, электрически программируемые элементы с ультрафиолетовым стиранием, электрически перепрограммируемые элементы памяти и программируемые структуры на базе ЗУ с произвольной выборкой.












1.Основные характеристики ПЛИС Altera:
логическая емкость, количество эквивалентных вентилей 1250;
число макроячеек 64;
число логических блоков 4;
число программируемых пользователем выводов 68;
задержка распространения сигнала вход-выход, tpd 5 нс;
время установки глобального тактового сигнала, tsu 2,9 нс;
задержка глобального тактового сигнала до выхода, tco1 3,2 нс;
максимальная глобальная тактовая частота, fcnt 175,4МГц;
EPM7064S может поставляться в корпусах различного типа. В таблице 2.1 приведены все возможные варианты.
Таблица 2.1 - Возможные корпуса микросхемы EPM7064S
Число программируемых пользователем выводов
Тип корпуса

36
44-Pin PLCC

36
44-Pin TQFP

68
84-Pin PLCC

68
100-Pin TQFP


EPM7064S содержит 64 макроячейки (МА), которые могут быть объединены в группы по 16 единиц. Такое объединение носит название логический блок (Logic Array Block - LAB). В каждой МА находятся программируемая матрица “И”, фиксированная матрица “ИЛИ” и конфигурационные регистры с независимым управлением. Для увеличения функциональности МА, входящие в один логический блок, могут быть объединены при помощи разделяемого и параллельного расширителей. Это позволяет реализовывать логические функции с 32 переменными. МЯ изготовлены по технологии CMOS EEPROM.


2. Функционнальная схема ПЛИС фирмы Altera















3. Cтруктурная схема макроячейки















Лабораторная работа № 1
Создание и исследование цифровых систем на основе ПЛИС фирмы Altera

1. Цель работы: Получение навыков работы с пакетом прикладных программ MAX+PLUS II при создании и исследовании цифровых систем на основе ПЛИС фирмы Altera.
Продолжительность работы – 4 часа.

2. Программа работы
2.1 Ознакомиться с пакетом прикладной программы Altera MAX+PLUS II. Произвести инсталляцию программного пакета на компьютер.
2.2 Получить у преподавателя вариант схемы, нарисовать схему на бумаге.
2.3 Создать проект и набрать схему на компьютере. Произвести компиляцию и устранить ошибки.
2.4 Запрограммировать микросхему ПЛИС, находящуюся в лабораторном стенде. Исследовать работу схемы на стенде.

3. Определение варианта и преобразование схемы
Для того чтобы определить свой номер варианта, нужно использовать номер зачетной книжки и текущий год. От номера зачетной книжки необходимо использовать только трехзначное число, состоящее из трех младших (правых) цифр номера зачетной книжки. От текущего года необходимо использовать только двухзначное число, состоящее из двух младших цифр номера года. При определении своего варианта нужно сложить трехзначное число номера зачетной книжки с двухзначным числом года, затем перевести полученный результат в двоичную систему исчисления. Если у полученного двоичного числа число значащих цифр оказалось больше 10, то надо отбросить левые (старшие) разряды, а если число значащих цифр меньше 10, то необходимо слева дописать нули таким образом, чтобы число значащих цифр было 10. Сформированное двоичное число – это и есть рассчитанный номер варианта.
Например, номер зачетной книжки 0802273, а текущий год 2010. Определяем номер варианта: 273 + 10 = 283. Переводим в двоичную систему исчисления:



28310 = 1000110112. Добавляем слева ноль, номер варианта: 0100011011.
Цифры необходимо пронумеровать справа налево, начиная с нулевого, (табл.1):

Таблица 1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1

№ 9
№ 8
№ 7
№ 6
№ 5
№ 4
№ 3
№ 2
№ 1
№0


В отчете должен быть представлен перевод в двоичный код со всеми промежуточными вычислениями и вариант в виде табл. 1.
На рис. 1.1 приведена исходная схема.




Рис. 1.1. Исходная схема


Схему необходимо преобразовать в соответствии с номером варианта. Преобразование схемы производится следующим образом. Если цифра № 9 является нулем, то DD1 остается без изменения, а если единицей, то инвертор DD1 изменяется на повторитель, т.е. удаляется кружок, обозначающий инверсию. Если цифра № 8 – 0, то элемент DD2 остается без изменений, а если – 1, то удаляется инверсия. Точно также поступают с остальными элементами в следующем соответствии (табл.2):
Таблица 2
DD1
DD2
DD3
DD4
DD5
DD6
DD7

№ 9
№ 8
№ 7
№ 6
№ 5
№ 4
№ 3

Затем, если цифра № 2 = 0, элемент DD5 остается элементом И, а если №2 = 1, то элемент DD5 заменяется на элемент ИЛИ, т.е. значок & заменяется на 1. Так же поступают с остальными элементами в следующем соответствии (табл.3):
Таблица 3
DD5
DD6
DD7

№ 2
№ 1
№ 0

.








Рис. 1.2.Преобразованная схема
После преобразования схемы нужно составить таблицу истинности, которая должна иметь следующий вид:
Таблица 4
x1
x2
x3
x4
y1
y2
y3
y4
y5
y6
Q

0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1

0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1

0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1

0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1

0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1

0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1

0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1

0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0

1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1

1
0
0
1
0
0
1
0
1
1
1

1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1

1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1

1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1

1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1

1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1

1
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1


В графах х1, х2, х3, х4 (табл. 4) необходимо перебрать все комбинации в соответствии с двоичной системой исчисления. Для четырех переменных число комбинаций должно быть 16. Графы y1–y6, Q необходимо заполнить в соответствии с логическими функциями микросхем.
В отчете по лабораторной работе обязательно должны быть приведены преобразованная схема и таблица истинности схемы.

4. Указания к выполнению работы

4.1 При выполнении п.п 2.1 - Ознакомиться с пакетом прикладной программы Altera MAX+PLUS II, достаточно изучить материал, приведенный в лекциях. Дополнительные сведения имеются в источниках, приведенных в списке литературы. Для инсталляции программного пакета Altera MAX+PLUS II на компьютер необходимо следовать указаниям, изложенным в файле install.txt.
4.2 При выполнении п.п 2.2 - Получить у преподавателя вариант схемы, нарисовать схему на бумаге, необходимо следовать указаниям, изложенным в п. 3.
4.3 Выполнение п.п 2.3 - Создать проект и набрать схему на компьютере. Произвести компиляцию и устранить ошибки.
4.3.1 С помощью средств Windows ( Проводник, Мой компьютер или др.) создать папку, в которой будут храниться файлы, относящиеся к проекту. Полный путь и имя папки должны содержать только латинские буквы.
4.3.2 Для запуска программы необходимо выполнить Пуск –> Программы –> MAX+plus II 10.1 E+MAX –> MAX+plus II 10.1 E+MAX. После запуска MAX+Plus II на экране монитора появится главное окно программы (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Главное окно системы MAX+plusII
4.3.3 Для создания нового проекта необходимо присвоим ему имя, используя команду File -> Project -> Name (Ctrl+J) (см. рисунок 1.3), например new и выберите каталог, в котором будут сохраняться файлы относящиеся к этому проекту (см. рисунок 1.4).
Важно! В графе Projekt Name не следует указывать расширение, только имя. После этого на диске будет создан файл конфигурации для проекта (new.acf).

Рисунок 1.3 – Пункт меню для задания имени проекта

Рисунок 1.4 – Выбор имени проекта и каталога, в котором
будут сохраняться файлы проекта
Теперь все приложения программы MAX+plus II будут сохранять свои настройки для текущего проекта в файле конфигурации.
4.3.4 Так как в лабораторном стенде установлена ПЛИС EPM7064S, следует отменить автоматический выбор микросхемы для реализации проекта. Для этого используем команду Assign -> Device.
Важно! В появившемся окне (смотрите рисунок 1.5) следует снять галочку Shov Only Fastest Speed Grades, затем следует выбрать семейство MAX7000S и в списке устройств ПЛИС EPM7064STC44-10 и нажать кнопку OK.


Рисунок 1.5 – Окно выбора устройства для реализации проекта
4.3.5 Порядок использования основных приложений системы MAX+plusII рассмотрим на примере разработки D-триггера. Необходимо создать схему. Для этого необходимо вызвать Graphic Editor, используя команду MAX+plus II -> Graphic Editor (File -> New -> Graphic Editor file). Сразу после создания графического файла, рекомендуется его сохранить, используя команду File -> Save. По умолчанию будет предложено имя, совпадающее с именем проекта, рис. 1.6.
Важно! Убедитесь, что выбрана именно та папка, в которой создан проект. В графе File Name должно быть указано имя с расширением gdf. После нажатия ОК появляется окно графического редактора.

Рисунок 1.6 – Окно графического редактора
Если Вы хотите открыть ранее сохраненный файл, то необходимо выполнить File->Open. Выбрать Graphic Editor Files, выбрать папку и файл.
Важно! Рекомендуется проверить, подключен ли создаваемый файл к проекту. Для этого убедиться в том, что доступны глобальные настройки во вкладке Assign.
Для размещения элементов в появившемся окне графического редактора (смотрите рисунок 1.6) используется команда Symbol -> Enter Symbol… Однако удобнее вызывать это окно двойным щелчком левой клавиши мыши по свободному пространству открытого окна редактора, после чего выбранный элемент будет размещён именно в этом месте (позиционирование элемента производится по верхнему левому углу условного обозначения элемента). В библиотеке prim содержатся относительно простые логические элементы, а если в схеме используются элементы серий 1533, 155 или их зарубежные серии, то для поиска нужного элемента используют библиотеку mf . Выбрать и установить необходимый элемент можно двумя способами:
Набрать имя элемента (примитива, мега- или макрофункции) в окне Symbol Name диалогового окна Enter Symbol и нажать ОК. Примитивы находятся в c:\maxplus2\max2lib\prim, рис. 1.7.
Выбрать необходимую библиотеку в окне Symbol Libraries диалогового окна Enter Symbol и двойным щелчком левой клавиши мыши открыть её. Затем аналогичным образом выбрать необходимый элемент в окне Symbol File.

Рисунок 1.7 – Окно выбора добавляемых элементов














4.3.6.Для создание схемы необходимы 3 элемента NOT из библиотеки prim,которые соответствуют элементу НЕ,а также 1 элемент Carry из библиотеки prim,который соответствует элементу ДА(повторитель),2 элемента OR2 из библиотеки prim,которые соответствуют элементу ИЛИ,1 элемента NAND2 из библиотеки prim,которые соответствуют элементу И-НЕ,4 элемента INPUT(для входных сигналов) из библиотеки prim,3 элемента OUTPUT(для выходных сигналов) из библиотеки prim.(рис.1.8.)
рис.1.8.
4.3.7 После завершения работы над проектом необходимо закрепить или переназначить выводы ПЛИС. Для каждого входа и выхода проделать следующее. Навести указатель мыши на вывод, нажать правую кнопку мыши, выбрать Assign -> Pin/Location/Chip, рис. 1.9. Ввести номер выбранного вывода, при выборе номера необходимо убедиться в том, что выбранный вывод входа подключен к тумблеру, а выбранный вывод выхода подключен к светодиоду (см. схему на передней панели стенда). При вводе номера вывода убедитесь в том, что в графе Node Name имя указано правильно.

Рис. 1.9.

В отчете по лабораторной работе обязательно должен быть приведен скриншот окончательного варианта схемы.

4.3.8.Следующий этап – сохранение и компиляция проекта. Перед компиляцией можно выполнить проверку корректности введённого проекта. Проверка осуществляется через подменю File -> Project -> Save&Check или щелчком левой кнопки мыши на пиктограмме соответствующего инструмента основной панели инструментов. В результате, выводится отчет об ошибках и предупреждениях, а также появляется окно компилятора (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 – Окно компилятора
Компиляция осуществляется также через подменю Project путём выбора пункта Save&Compile или опять же с помощью соответствующего инструмента основной панели инструментов.
Закрыть компилятор.


4.4 Выполнение п.п 2.5. - запрограммировать микросхему ПЛИС, находящуюся в лабораторном стенде, исследовать работу схемы на стенде.
4.4.1 Необходимо выполнить загрузку конфигурации в ПЛИС. Для этого необходимо запустить приложение Programmer (смотрите рисунок 1.11), используя команду MAX+plus II -> Progammer.

Рисунок 1.11 – Окно приложения “Programmer”
Чтобы выбрать файл для загрузки необходимо зайти в меню JTAG и выбрать команду Multi-Device JTAG Chain Setup… На экране монитора будет отображено окно (смотрите рисунок 1.12), в котором следует выбрать серию микросхемы (EPM7064S) и файл для загрузки (new.pof), после чего следует нажать кнопку Add, а затем OK. Если кнопка Add отсутствует, а в поле Programming File Names указано другое имя, необходимо нажать кнопку Delete. Затем нажать Select Programming File и выбрать свой файл. Он имеет расширение pof. После этого нажать add.
4.5.2 Убедиться в том, что кабель подключен к разъему LPT компьютера и к стенду, к разъему с надписью Altera. Убедиться в том, что стенд подключен к сети 220 В и тумблер Сеть включен, должен гореть светодиод Сеть. Нажать Detect JTAG Chain Info. Если неисправен кабель или стенд будет выдано сообщение Byte Blaster is not present – check power and cables. Если связь установлена, то появится сообщение JTAG chain information confirmed by hardware check. Нажать OK, закроется Multi-Device JTAG Chain Setup…, нажать Да.

Рисунок 1.12 – Окно выбора модели ПЛИС и файла конфигурации
Теперь в окне приложения Programmer следует нажать кнопку Programm в результате чего произойдет загрузка конфигурации в ПЛИС. По окончании программирования микросхемы на дисплее появится сообщение, показанное на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 – Сообщение об окончании загрузки файла
4.5.3 Теперь необходимо перебрать все возможные комбинации входных сигналов с помощью тумблеров и снять реальную таблицу истинности. Сравнить эту таблицу истинности с таблицей истинности, которая была составлена при подготовке к лабораторной работе.
В отчете должны быть приведены обе таблицы истинности, в реальной таблице истинности могут отсутствовать те выходы, которые не выведены на светодиоды.






















Список литературы

В.Ю.Зотов. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx, М.: Горячая линия-Телеком.2003.–624с
Официальный сайт компании Altera [Электронный ресурс]: ПЛИС различных производителей. Режим доступа: http://www.altera.ru/.
Официальный сайт компании РадиоКОТ [Электронный ресурс]: Графический редактор MAX+Plus II. Режим доступа: http://www.radiokot.ru/.