29

Методические рекомендации по освоению САПР Quartus II на примере создания мультиплексора

Мультиплексор - это логическое устройство, предназначенное для поочередной передачи на один выход одного из нескольких входных сигналов, то есть их мультиплексирования. Количество мультиплексируемых входов называется количеством каналов мультиплексора, а количество выходов - числом разрядов мультиплексора. Число каналов мультиплексоров, входящих в стандартные серии, составляет от 2 до 16, а число разрядов - от 1 до 4.

Управление работой мультиплексора осуществляется с помощью входного кода адреса. Связь между числом информационных (n) и адресных (m) входов определяется соотношением n=2^m. Таким образом, для 4-канального мультиплексора необходим 2-разрядный управляющий адресный код А_i, а для 16-канального – 4 разрядный код. Например, мы имеем на адресном входе код 00, в этом случае сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на нулевом входе (D₀), при адресном коде 01 сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на первом входе (D₁), при адресном коде 10 сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на втором входе и так далее.

№	D3	D2	D1	D0	A1	A0	Y
0	0	0	0	1	0	0	1
1	0	0	1	0	0	1	1
2	0	1	0	0	1	0	1
3	1	0	0	0	1	1	1

Табличное описание (представление)

четырехканального мультиплексора (MS 4/1):

Математическое описание работы MS 4/1 в виде структурной формулы в СДНФ:

Схемное представление мультиплексора (MS 4/1):

Рис. 1

Создание проекта и проверка работоспособности цифрового устройства с использованием сапр Quartus II на примере мультиплексора (ms 4/1)

1. Настройка Quartus II и создание папки нового проекта

• Включить приложение Quartus II, щелкнув левой кнопкой мыши по иконке Quartus II на рабочем столе компьютера. Далее слова «левой кнопкой» исключаются. Если необходимо щелкнуть правой кнопкой, то будет указано: «щелкнуть правой кнопкой мыши …».

• Выбрать в главном меню "Tools\Customize…" ("Инстументы\Настройка.."). Здесь и далее обратная косая черта отделяет нижний уровень меню от предыдущего уровня. Другими словами, сначала в главном меню выбрать "Tools", а затем в раскрывшемся меню выбрать "Customize…".

• В появившемся окне Customize ("Настройка") активизировать, если требуется, закладку "General" ("Основные") и в поле "Look &Feel" ("Внешний вид") включить кнопку "Quartus II". Если эта кнопка была включена, то следует закрыть окно, щелкнув мышью по кнопке "ОК" (далее по тексту «нажав на кнопку "ОК"»). Если была включена кнопка "MAX+plus II"? то после переключения на "Quartus II", нажать на кнопку "Apply" "Применить". На кране появится информационное окно, в котором будет предложено запустить пакет повторно, следует согласиться с предложением, щелкнув по кнопке "Да". После выключения пакета "Quartus II" включить его повторно. Новые установки, сделанные в окне "Customize…" вступят в силу.

• Выбрать в главном меню "File\New Project Wizard…" ("Файл\Мастер создания проекта…", рис.2). В появившемся окне "File\New Project Wizard: Introduction" ("Файл\Мастер создания проекта: Введение") можно поставить "галочку" у надписи "Don't show me this introduction again" ("Не показывать мне это вводное окно снова"), если нет необходимости показывать это нефункциональное окно в дальнейшем и щелкнуть по кнопке "Next" ("Следующий шаг").

Рис. 2

• В появившемся окне "New Project Wizard: Directory, Name, Top-Level Entity [page 1 of 5] " ("Мастер создания проекта: Папка, Имя и Модуль верхнего уровня [страница 1 из 5]") щелкнуть по кнопке с тремя точками у верхнего поля ввода. В новом окне "Select Directory" ("Выбрать папку"), переместившись в желаемое место на диске, создать новую папку для вновь создаваемого проекта под именем, например, "multiplexor" и " зайти" в неё (папка необходима, поскольку проект содержит около пятидесяти файлов). Далее щелкнуть по кнопке "Отрыть" окна "Select Directory".

• Возвратиться в окно "New Project Wizard: Directory, Name, Top-Level Entity [page 1 of 5] " (Рис. 3) и убедиться в том, что в верхнем поле ввода занесен полный маршрут к созданной папке, а именно, во втором поле – имя проекта, которое совпадает с именем папки, и в третьем (нижнем) поле – имя модуля верхнего уровня, совпадающего с именем папки. Щелкнуть по кнопке " Finish" ("Завершение").

Рис. 3

Примечание: При создании несложных проектов (устройств), функционально-логическое, описание которых содержится в одном конструкторском файле ("Device Design File"), целесообразно придерживаться следующего правила: давать папке проекта, проекту и модулю верхнего уровня одно и то же имя.

В начале каждого последующего сеанса работы с созданным проектом достаточно выбрать в главном меню "File\Open Project..." и в появившемся окне " Open Project " найти папку проекта. Выделив папку проекта, щелкнуть по кнопке "Отрыть".

Имена папки проекта и файлов давать на английском языке.

• Выбрать в главном меню "File\New…" ("Файл\Новый", рис. 4). В появившемся окне " New" на закладке "Device Design File" ("Конструкторские файлы устройств") выбрать строку "Block Diagram/Schematic File" ("Файл блок-схемы/схемный файл"). Щелкнуть по кнопке "ОК" в нижней части окна. На рабочем поле приложения появится окно созданного файла с именем в квадратных скобках ["Block1.bdf"]. Его расширение ".bdf" означает, что это "Block Design File", т.е. файл с графическим представлением проекта в виде схемы.

Рис. 4

Примечание: Конструкторский файл устройства – это главный файл проекта. Он содержит функционально-логическое описание проектируемого устройства. Пакет Quartus II поддерживает следующие типы конструкторских файлов:

- "Block Diagram/Schematic File" – файл в виде графического представления схемы или блок-схемы проекта (применён в нашем примере);

- AHDL File – файл на языке описания аппаратуры фирмы Altera (AHDL – Altera Hardware Description Language);

- VHDL File – файл на универсальном языке описания аппаратуры VHDL;

- Verilog HDL File - файл на универсальном языке описания аппаратуры Verilog;

- EDIF File – файл в формате обмена электронными проектами.

• Выбрать в главном меню "File\Save As…." ("Файл\Сохранить с Новым Именем "). В появившемся окне "Сохранить как" будет предложено сохранить файл с именем проекта с расширением .bdf. Следует принять предложение и щелкнуть по кнопке "Сохранить".

Далее рассмотрим основную задачу проектирования - ввод описания логики цифрового устройства (в нашем примере 4-х канального микропроцессора) в виде схемы.

2. Ввод функциональной схемы 4-х канального мультиплексора с помощью "Block Diagram/Schematic File (графическое представление схемы)

Рис. 5

Для ввода схемы щелкнуть правой кнопкой мыши по рабочему полю файла с расширением .bdf. В появившемся контекстном меню выбрать строку "Insert" ("Вставить") и далее "Symbol…" ("Символ…"). Появится окно "Symbol…":

Рис. 6

• В поле "Libraries" ("Библиотека") окна "Symbol…" щелкнуть по кнопке со знаком " плюс" в строке с директорией (маршрутом) к папке библиотек пакета. Появится список библиотеки.

• Для данного примера (цифровое устройство) выбрать библиотеку примитивов, щелкнув по кнопке "primitives". Появится список библиотеки "primitives". В нем щелкнуть по кнопке "плюс" раздела "logic" ("логические элементы").

• В появившемся списке логических элементов (ЛЭ) выбрать необходимые ЛЭ. Для нашего примера выбрать символ or4. Его условно графическое отображение (УГО) будет выведено в правом демонстрационном поле.

Примечание: Символы раздела "logic" включают: простые (элементарные) логические элементы, входные, выходные или двунаправленные выводы, а так же сложные схемные логические элементы. Они содержат схематические изображения элементов, соответствующую логическую и служебную информацию и расположены в библиотеках.

• Щелкнуть по кнопке "ОК" в нижней (слева) части окна. Окно "Libraries" ("Библиотека") исчезнет, а на рабочем поле конструкторского файла проекта появится символ ЛЭ or4. Поместить его в удобное место и щелкнуть левой кнопкой мыши. Логический элемент будет установлен на рабочем поле файла проекта. Он будет выделен цветом.

Примечание: Установленными на рабочем поле ЛЭ можно управлять. Для этого необходимо:

- включить кнопку "Selection and Smart Drawing Tool" ("Выделение и Оперативный Ввод"), которая расположена вверху на панели инструментов в виде наклонной стрелки (типовой курсор мыши);

- выделить необходимый ЛЭ, щелкнув по его условно графическому отображению (УГО). Выделенный ЛЭ обрамляется синим прямоугольником с квадратами по периметру;

- щелкнув мышью по выделенному ЛЭ и, удерживая левую кнопку мыши, переместить его в новое место, где он останется после освобождения левой кнопки мыши.

Щелчок правой кнопкой мыши по ЛЭ вызывает контекстное меню, в котором имеются стандартные команды "Copy", "Delete" и т.д. При этом не должна быть активной кнопка "Selection and Smart Drawing Tool" ("Выделение и Оперативный Ввод".

• Таким же образом, как и ЛЭ or4, вывести на рабочее поле конструкторского файла остальные ЛЭ, щелкая на кнопку ( "Sumbol Tool")/

Для подключения и задания имени символов ввода\вывода необходимо:

- повторить действия, для вывода символов ЛЭ, но на этапе выбора раздела библиотеки "primitives", вместо раздела "logic" открыть расположенный ниже в том же списке раздел "pin" ("вывод");

- выделить символ "input" ("ввод") и щелкнуть по кнопке "OK";

Рис. 7

- установить символ входного вывода, появившемся на рабочем поле в левом верхнем углу схемы;

- для задания имени символу входного вывода щелкнуть по нему правой кнопкой мыши. При этом не должна быть активной кнопка "Selection and Smart Drawing Tool" ("Выделение и Оперативный Ввод"). В появившемся контекстном меню выбрать строку "Properties…" ("Свойства…");

- в появившемся окне "Pin Properties" ("Свойства Вывода") в верхнем поле ввода "Pin Name(s)" ("Имя Вывода(ов)") ввести с клавиатуры имя первого входного вывода, например, - А1. В рассоложенном ниже списке ввода этого же окна "Default value:" ("Значение по умолчанию:"), нажав на кнопку вызова списка, выбрать в списке значение "GND" ("Вывод общий"; логическая константа "0") и щелкнуть по кнопке "OK".

Примечание: Входным выводам может присвоено значение по умолчанию "GND" или "VCC" (вывод напряжения питания; логическая константа "1"). Это значение будет использовано пакетом в случае, если данный модуль ("entity") не является модулем верхнего уровня иерархии, входит в проект как компонент и в конструкторском файле верхнего уровня этот вывод оказался неподключенным. В модуле верхнего уровня выводы являются выводами микросхемы, выводы в модуле нижнего уровня являются точками соединения с другими модулями внутри проекта в целом.

Таким же образом, как первый вывод input, вывести на рабочее поле справа логических элементов выводы output (это другой тип вывода). Дать им имя, например, Y

Ввести необходимые соединения элементов. Для этого:

• Щелкнуть на кнопку "Orthogonal Node Tool" ("Ввод Ортогональных Проводников") на вертикальной панели инструментов.

• Ввести требуемые соединения элементов в соответствии со схемой, нажимая левую кнопку мыши в начальной точке и отпуская её в конечной точке вводимого проводника.

Примечание: Если требуется сделать поворот проводника в желаемой точке, то в этой точке отпустить и снова нажать левую кнопку мыши, после чего двигаться в новом (перпендикулярном) направлении. Для удаления ошибочно введённого проводника активизировать кнопку вверху на вертикальной панели инструментов (наклонная влево стрелка) "Selection and Smart Drawing Tool" ("Выделение и Оперативный Ввод"). Далее выделить требуемый проводник или его фрагмент и удалить одним из способов:

- нажать клавишу "Delete" на клавиатуре;

- щелчком правой кнопки мыши вызвать контекстное меню и выбрать в нем строку "Delete";

- выбрать в главном меню "Edit\Delete".

В итоге получаем графическое представление 4-х канального мультиплексора:

Рис. 8

!!!!ИСПРАВИТЬ! на ЛЭ 3AND (вм. 3AND-NOT)

Таким образом, после присоединения всех проводников проект готов к компиляции – преобразованию введенной схемы в схему из реальных аппаратных блоков конкретной микросхемы ПЛИС фирмы Altera. Для компиляции проекта необходимо:

• Записать подготовленную схему в файл проекта, выбрав в главном меню строку "Save" ("Сохранить с имеющимся именем").

Примечание: Если в редактируемый файл пакета Quartus II внесены изменения и они не отражены в файле на диске, то в заголовке редактируемого файла после формата расширения устанавливается знак "*". После операции записи файла на диск знак "*" исчезает.