3 Посібник Quartus

В. Л. Кофанов, О. В. Осадчук, Д. В. Гаврілов

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ЦИФРОВИХ ПРИСТРОЇВ НА ОСНОВІ САПР QUARTUS II

b a b a

&

0

Міністерство освіти і науки України Вінницький національний технічний університет

В. Л. Кофанов, О. В. Осадчук, Д. В. Гаврілов

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ЦИФРОВИХ ПРИСТРОЇВ НА ОСНОВІ САПР QUARTUS II

Затверджено Вченою радою Вінницького національного технічного університету як навчальний посібник для студентів напряму підготовки 0907 – Радіотехніка всіх спеціальностей. Протокол № ___ від

"___" ____________ 2007 р.

Вінниця ВНТУ 2007

1

УДК 621.374 К 74

Рецензенти:

О.Д. Азаров, доктор технічних наук професор С.М. Злепко, доктор технічних наук професор С.М. Маєвський, доктор технічних наук професор

Рекомендовано до видання Вченою радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Кофанов В. Л., Осадчук О. В., Гаврілов Д. В.

К74 Лабораторний практикум з цифрових пристроїв на основі САПР Quartus II. Навчальний посібник. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-

Вінниця, 2007. – 189? с.

Практикум поєднує виконання практичних завдань і лабораторних досліджень цифрових пристроїв (ЦП) на сучасних програмованих ІС (ПЛІС). Одночасно з вивченням ЦП на ПЛІС і традиційній елементній базі передбачено опанування основами повноциклової САПР Quartus II. З метою активізації навчального процесу завдання включає створення діючого макету для експериментального дослідження певного типу ЦП згідно з варіантом індивідуального завдання.

Змістом посібника є типові ЦП, що охоплюють відповідні розділи дисциплін „Цифрові пристрої та мікропроцесори”, „Проектування цифрових пристроїв”, „Елементна база цифрових систем зв’язку”. Матеріал є базою також для курсового і дипломного проектування з можливістю виготовлення експериментального макету.

Для студентів бакалаврського ступеня підготовки радіоелектронних спеціальностей вищих закладів освіти.

УДК 621.374

© В. Кофанов, О. Осадчук, Д. Гаврілов, 2007

2

3

ВСТУП

Посібник охоплює матеріал для виконання практичних завдань і лабораторних досліджень. Засвоєння основ цифрових пристроїв (ЦП) здійснюється на базі надвеликих інтегрованих мікросхем програмованої структури (для стислості позначатимемо їх ПЛІС – програмовані логічні ІС) відповідно до останніх досягнень мікроелектроніки. Проте одночасно вивчаються також типові ЦП традиційної елементної бази, які зручно запроваджувати до ПЛІС у вигляді стандартних структурних компонентів. Крім того, метою практикуму є набуття студентами навичок сучасної інженерної праці, коли левова частка розробки і налагодження нової радіоелектронної апаратури (РЕА) та діагностики під час експлуатації діючої РЕА має припадати на системи автоматизованого проектування (САПР).

Через складність ПЛІС (в одному кристалі міститься від тисяч до мільйонів еквівалентних вентилів типу двовходових логічних елементів) застосовуються нові автоматизовані методи синтезу цифрових структур і комплексні засоби проектування РЕА на персональних комп’ютерах. Зокрема, для ПЛІС фірми Altera (США), які часто розглядаються як стандарти нової елементної бази, впроваджено декілька пакетів САПР, версії яких постійно оновлюються. Хоч САПР різних фірм мають відмінності, методика проектування на їх основі є багато в чому спільною. У цьому посібнику користуватимемося САПР Quartus ІІ, яка підтримує університетську освіту і пристосована для нових та розроблених раніше ПЛІС фірми Altera і деяких інших фірм. На відміну від попередніх САПР (типу CAD – computer aided design) така система є повноцикловою (типу EDA – electronic design automation). Це означає, що вона являє собою закінчене проектне середовище для реалізації виробу типу «система на програмованому кристалі» (SOPC – system-on-a-programmable-chip), тобто забезпечує всі етапи проектування – від введення проекту до моделювання і фізичного програмування ПЛІС та тестування результатів.

У САПР проектом прийнято називати комплект файлів, створених користувачем і програмним забезпеченням для досягнення поставленої мети. Етапи проектування за допомогою САПР можна узагальнити як у спрощеному вигляді подано на рис. В1.

Введення проекту здійснюється інструментальними засобами у традиційній для інженера графічній формі (принципова електрична схема) або в текстовій формі (програма апаратною мовою високого рівня) з використанням бібліотеки бази даних – стандартних компонентів САПР або створених користувачем і згорнутих до символу блоків. Для побудови РЕА найдоцільнішою є ієрархічна структура, за якою проект вводиться на рівні блок-схеми в графічному редакторі (проект верхнього рівня), а окремі блоки подаються у текстовому або графічному редакторі (проекти нижніх рівнів). Складні проекти, компонентами яких можуть бути

4

мікропроцесори, блоки пам’яті і т. ін., створюються спеціальними засобами САПР на рівні системи. Результатом введення проекту є низка сформованих проектних файлів.

Рисунок В.1 – Етапи проектування за допомогою САПР

Другим і найважливішим етапом створення проекту є його компіляція, яка виконується автоматично, в декілька кроків. Після завантаження проектних файлів до компілятора здійснюється їх аналіз, щоб сформувати рівняння залежності вихідних функцій від вхідних змінних, і синтез, щоб реалізувати проект за використання мінімуму з приступного ресурсу ПЛІС залежно від її технології (наприклад, на мінімальній кількості логічних елементів). При цьому виявляються помилки, наприклад, коли відсутнє джерело сигналу на деякому вході, і застереження, наприклад, про невикористовуваний деякий компонент (до усунення помилок компіляція зупиняється). Наступним кроком є трасування, яке полягає у виборі місцеположення комірки ПЛІС для реалізації певної функції і маршруту її зв’язків із виводами мікросхеми таким чином, аби забезпечити максимальну швидкодію. За результатами трасування модуль компілятора асемблер генерує об’єктні файли для виготовлення реально працюючого пристрою. Останнім кроком компі-

5

ляції є часовий аналіз, який полягає у вимірюванні затримки сигналів різними шляхами їх поширення, визначенні критичних шляхів і, отже, найгіршої швидкодії, тобто придатності проекту для реалізації заданої мети.

Під час функціонального моделювання з переліку сигналів, що міститься в службових файлах компілятора, формується файл часових діаграм. При цьому вхідні сигнали задаються користувачем, а вихідні – генеруються імітатором (програмним модулем Simulator). Залежно від вибраного режиму імітатор може моделювати або лише виконувану пристроєм функцію, або функцію і часові затримки. Завдяки цьому функціональне моделювання дозволяє випробувати і налагодити пристрій перед втіленням його в кристалі, що значно скорочує термін проектування.

Завершальним етапом є фізичне програмування/конфігурування мікросхеми, яке здійснюється з об’єктних файлів програматором, що є модулем САПР. Крім того, залежно від використовуваних апаратних засобів програматор може виконувати перевірку функціонування готового виробу шляхом подачі на його входи випробувальних сигналів і порівняння вихідних сигналів зі сформованими часовими діаграмами.

***

З метою активізації навчання практикум має варіантний характер. Для зарахування кожної роботи необхідно: а) засвоїти теоретичний матеріал з даної теми, б) виконати практичне завдання згідно зі своїм варіантом, в) виконати загальну частину лабораторного завдання ознайомчого характеру, г) створити проекти за індивідуальним завданням з моделюванням результатів, д) створити лабораторний макет згідно із заданим варіантом та виконати експериментальні дослідження (відомості про лабораторний стенд містяться в [2, 8]). Щоб виконати завдання, потрібно засвоїти також процедури і елементи програмного забезпечення САПР Quartus II (у зв’язку з надзвичайно розгалуженою цією системою рекомендується обмежитися мінімумом відомостей, достатніх для даної роботи). Методично практикум побудовано таким чином, аби практичні і лабораторні завдання можна було виконати самостійно, у дистанційному режимі (експериментальні дослідження за п. д виконуються в лабораторії за наявності заздалегідь підготовлених файлів на магнітному носії).

Зміст звіту з виконання завдання

Назва і мета роботи; результати виконання домашнього завдання; зміст кожного пункту лабораторного завдання: бібліотечні файли (частинами або в скороченому вигляді, щоб помітно було деталі), файли зі схемами, часовими діаграмами (у разі потреби, застосувати альбомну орієнтацію сторінки) та іншими результатами зі стислими поясненнями і висновками; результати експериментальних досліджень, які можна подавати скорочено у формі таблиць і стислих висновків.

6

1 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1. ОСНОВНІ ЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ

Мета роботи: дослідження типових логічних елементів; ознайомлення з основами пакету Quartus II та керуванням його файлами.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

! 1) Засвоїти теоретичні відомості щодо основних логічних функцій, співвідношень алгебри логіки, а також арифметичних основ цифрової техніки, необхідних для розуміння логічних схем.

2) Визначити, яку логічну функцію виконують схеми з елементом, заданим згідно з варіантом (див. Додатки, варіанти завдання 1).

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Алгебра логіки є основою не тільки проектування ЦП, але й розуміння принципу їх дії. Вона використовується також за текстового опису проектів мовами програмування високого рівня HDL (Hardware Description Language – мови опису апаратних засобів), зокрема, мовою AHDL, яка пристосована до ІС фірми Altera. Основні логічні функції та зображення їх мовою AHDL наведено в табл. 1.1. Пояснення щодо основ алгебри логіки, а також арифметичні основи цифрової техніки, необхідні для розуміння логічних схем, викладено в [1].

Основні співвідношення алгебри логіки (табл. 1.2) розглядаються в булевій алгебрі, здебільшого, відносно функцій АБО та І, а справедливість тих чи тих формул відносно інших функцій з'ясовується окремо (у табл. 2 для прикладу наведено також співвідношення для функції Виключне АБО).

Будь-яка логічна функція зображається в досконалій диз'юнктивній нормальній формі (ДДНФ) або в досконалій кон'юнктивній нормальній формі (ДКНФ) єдиним способом, тому ці форми називають стандартними, що є вихідними для подальшого аналізу й синтезу. Природно, стандартні форми можна зобразити і для інверсного значення функції (табл. 1.3)

Примітиви є функціональними модулями в САПР, які репрезентують найпростіші типові елементи ЦП, а також допоміжні компоненти в графічних і текстових файлах проекту (термін Primitive охоплює базові логічні елементи, тригери, порти та ін.).

Бібліотека всіх функціональних модулів САПР розташована в каталозі c:/quartus/libraries, а примітиви зосереджено в підкаталозі /primitives. Відомості про примітиви (рис. 1.1) подано в [2].

7

8

Таблиця 1.2 – Основи алгебри логіки

Таблиця 1.3 – Стандартні форми логічних функцій

9