Altera / Lab_AT / Metod / 1

8

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития микропроцессорных систем управления характеризуется комбинированным применением микроконтроллеров и БИС программируемой логики (ПЛИС). Реализация комбинационных и последовательных схем на основе ПЛИС представляет новую и мало изученную область теории дискретных управляющих устройств.

В периодической печати существует информация [1–3] об элементной базе, методах и инструментах для разработки реальных современных систем управления на микроконтроллерах и ПЛИС. Привлекательность использования ПЛИС как технического базиса функциональной реализации устройств цифровой электроники объясняется тем, что за счет согласованного усложнения элементной базы и средств проектирования можно решить задачу автоматического синтеза устройств на основе текстового описания и, как следствие, значительно сократить сроки разработки проектов на ПЛИС и, что самое главное, сделать процесс проектирования доступным широкому кругу инженеров. В этой связи возникают проблемы обучения студентов методам реализации цифровых устройств на базе ПЛИС.

Целью настоящего учебного пособия является систематическое изложение методики реализации комбинационных и последовательностных схем цифровой электроники на базе ПЛИС с помощью САПР MAX+plus II фирмы Altera и лабораторного стенда LabKit 8000.

1. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ

ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В лаборатории «Электроника и микроэлектроника» кафедры «Автоматика и телемеханика» используется комплекс средств для обучения проектированию цифровых электронных устройств (ЦУ) на базе ПЛИС Altera. Комплекс включает:

- программное и инструментальное обеспечение в виде системы MAX+plus II фирмы Altera. Пакет работает на персональных компьютерах в среде Windows;

- аппаратное обеспечение в виде платы лабораторного пакета и устройства типа Byte Blaster.

1.1. Программная часть

Программное обеспечение MAX+plus II состоит из 11 прикладных программ и платформы Manager. Из меню MAX+plus II панели управления (рис. 1) можно открыть все приложения САПР. Пункты меню, появляющиеся на панели управления после загрузки, присутствуют во всех приложениях MAX+plus II.

Таблица приложений MAX+plus II

Иконка	Приложение
	Экран иерархии (Hierarchy Display) – показывает иерархию файлов текущего проекта, как иерархическое дерево с ответвлениями, которые представляют собой подпроекты
	Графический редактор (Graphic Editor) – создание схем с помощью примитивов (базовых элементов), мегафункций и макрофунций, находящихся в библиотеках MAX+plus II, и элементов, созданных пользователем
	Символьный редактор (Symbol Editor) – позволяет редактировать существующие символы и создавать новые
	Текстовый редактор (Text Editor) – текстовый редактор позволяет создавать и редактировать текстовые файлы проектов написанные на AHDL
	Редактор форм сигнала (Waveform Editor) – средство ввода векторов тестирования и просмотра результатов моделирования
	Редактор поуровневого планирования (Floorplan Editor) – позволяет назначать логику выводам физического устройства и логическим ячейкам в графическом режиме
	Компилятор (Compiler) – обрабатывает логические проекты для устройств Altera. Большая часть обработки выполняется автоматически, но можно менять все или часть настроек процесса компиляции
	Имитатор (Simulator) – позволяет тестировать логические операции и внутренние задержки логической схемы. Возможны следующие варианты моделирования: функциональное, временное, несколько соединенных устройств
	Анализатор состязания сигналов (Timing Analyzer) – анализирует характеристики логической схемы после синтезирования и оптимизации, выполненных компилятором
	Программатор (Programmer) – конфигурирует, изменяет, исследует и проверяет устройства Altera с помощью программы пользователя
	Процессор обработки сообщений (Message Processor) – показывает ошибки, предупреждения и информационные сообщения

1.2. Аппаратная часть

Комплекс установлен на локальную сеть компьютеров учебной лаборатории.

Лабораторный стенд LabKit 8000 (рис. 2) реализован на базе ПЛИС типа EPF8282A широко распространенного семейства FLEX 8000 фирмы Altera. Эта ПЛИС содержит около 5000 эквивалентных логических вентилей. Кроме ПЛИС макет содержит устройства ввода и отображения данных, генератор тактовых импульсов частотой 4 МГц.

Конфигурирование ПЛИС осуществляется с помощью компьютера через кабель типа Byte Blaster, подключаемый к соответствующему разъему макета. При выполнении последовательной пассивной загрузки конфигурации от компьютера, на котором установлена система проектирования MAX+plus II. Технология внутрисистемного программирования ПЛИС позволяет реализовать на базе данного макета широкую номенклатуру комбинационных и последовательностных цифровых устройств различной сложности, проектирование и испытание которых производится в процессе выполнения лабораторных работ.

При обучении студентов освоение методов реализации ЦУ на базе ПЛИС проводится вместе с изучением классических методов проектирования. Студенты осваивают основные способы преобразования и минимизации логических функций, учатся проектировать разнообразные устройства из набора серийно выпускаемых микросхем или комплекта стандартных ячеек. Одновременно они учатся проектировать аналогичные устройства на базе ПЛИС, сравнивают технические характеристики устройств, реализуемых различными методами.

Методика проведения лабораторных работ предполагает сначала выполнение обязательного задания. Для каждой работы предлагается набор, содержащий 5–10 заданий на проектирование типовых цифровых узлов: комбинационных и последовательносных схем. Затем самостоятельно выполняется разработка индивидуального проекта в соответствии с указаниями раздела 1.3:

• создание файлов проекта;

• симуляция;

• анализ временных диаграмм;

• программирование ПЛИС и проверка работы спроектированного ЦУ.

Разработанное методическое пособие включает в себя шесть лабораторных работ.

Работа 1. «Исследование логических функций и их реализация на базе ПЛИС».

Работа 2. «Построение и исследование шифраторов и дешифраторов».

Работа 3. «Создание и исследование мультиплексоров и демультиплексоров».

Работа 4. «Синтез триггерных устройств на логических элементах на базе ПЛИС».

Работа 5. «Проектирование и исследование счетчиков импульсов».

Работа 6. «Построение и исследование регистров в системе MAX+plusII».

1.3. Последовательность создания проекта

для выполнения лабораторных работ

Процесс создания нового проекта выполнения лабораторной работы может быть представлен в следующем виде.

1. Создание нового файла или иерархии нескольких файлов проекта в любой комбинации средств разработки MAX+PLUS II, т.е. графический, текстовый редакторы и редактор форм сигнала:

• определение имени самого высокого файла проекта, как имени проекта;

• настройка необходимых параметров;

• установка масштабной сетки;

• рисование схемы;

• назначение серии ПЛИС для данного проекта;

• компиляция.

2. Симуляция:

• ввести в поле редактора временных диаграмм выводы входа и выхода Node\Enter nodes from SNF. В появившемся окне нажать следующую последовательность: List\=>\ok (или двойной щелчок на каждой строке);

• задать последовательности входных сигналов и сохранить файл;

• провести симуляцию;

• проанализировать теоретические и экспериментальные данные.

3. Анализ временных задержек:

• открыть анализатор временных задержек: Max+plusII\Timing analyzer;

• выбрать Delay Matrix в меню Analysis и нажать Start: получим время прохождения сигнала от каждого входа до каждого выхода схемы проекта;

• проанализировать инерционность использованных логических элементов.

4. Работа со стендом:

• распределение ресурсов стенда (связать выводы схемы проекта с выводами ПЛИС стенда);

• сохранить и откомпилировать проект;

• программирование ПЛИС и проверка работы устройства.