LS-Sb87081

работки цифровых устройств на ПЛИС средствами САПР представляется особенно актуальным.

Кроме выбора типа ИС при планировании выполняется и ряд подготовительных действий: выбор расположения входных и выходных контактов, определение временных и мощностных ограничений и др. Опираясь на возможности САПР, разработчик еще до этапа конструкторско-технологи- ческого проектирования может, например, получить предварительные оценки затрачиваемой мощности и временных характеристик.

Выбор ПЛИС как средств реализации проекта определяет допустимые семейства ИС и возможные САПР. Для курсового проекта круг возможных решений искусственно сокращен. Рекомендуемый выбор – фирма производитель «Altera», САПР – Quartus II, семейство микросхем – MAX3000 или MAX II. Для отдельных элементов ТЭЗ – серии КР1533 или КР1554 или их аналоги из серии 74ALS фирмы «Texas Instruments» («TI»).

Реализация проекта в ПЛИС. Последовательность работы в САПР носит название проектного потока (Design Flow) и практически не зависит от сложности проекта. В основе проектного потока лежат этапы: ввод в той или иной форме информации о фрагментах схемы и их соединениях между собой, компиляция проекта и анализ полученных результатов. Типовая последовательность работы в САПР приведена в разд. 3. Подробные материалы о работе в среде Quartus II можно найти в [2].

В курсовом проекте в основном используется два типа редакторов исходных фрагментов: графический редактор (Block Editor) и редактор создания конечных автоматов (State Machine Editor). В отдельных случаях может использоваться символьный редактор (Block Symbol Editor). Подробно работа с редакторами описана в [2], кратко изложена далее.

Для выбора элементов САПР предлагает три типа библиотек: ме-

гафункции (megafunctions), примитивы (primitives) и прочие (others). В свою очередь, мегафункции содержат библиотеки элементов: арифметических, вентильных, ввода/вывода и памяти. Отличительная особенность мегафункций – настройка параметров типовых узлов. Мегафункции позволяют использовать многоразрядные (шинные) подключения. Примитивы предлагают выбор среди библиотек: буферных и логических элементов, различных типов контактов, элементов памяти и оформления электрических схем.

Особо интересна библиотека прочих элементов (others). В ней, в част-

ности, расположена библиотека под именем maxplus2, в которой помимо

11

набора типовых элементов вычислительной техники расположены адаптированные к реализации на ПЛИС аналоги ИС малой степени интеграции серий 74/54 фирмы «TI», популярных среди разработчиков электронной аппаратуры.

В пояснительной записке должно быть дано описание наиболее значимых для проекта применяемых элементов с их условными графическими обозначениями и указанием назначений их выводов. Объем такого описания

не должен превышать 3–4 страниц.

2.7. Разработка принципиальной электрической схемы интерфейсной платы МП системы

Разработка устройства в курсовом проекте завершается проектированием электрической схемы, содержащей сконфигурированную ПЛИС, ее интерфейс с микропроцессорной системой, а также элементы, обеспечивающие работу ПЛИС (генератор тактовых импульсов, разъем для входных, выходных и интерфейсных сигналов, элементы загрузки или реконфигурирования (разъем JTAG), элементы DC–DC образования питающих напряжений и элементы их фильтрации.

На этом этапе производится переход от составленной ранее функциональной схемы к схеме принципиальной электрической. При этом необходимо решить ряд вопросов. Схема принципиальная электрическая (именно такой порядок слов применяют в официальных документах согласно ГОСТу) должна исчерпывающим образом описывать состав всех имеющихся в ней элементов и их межсоединения.

Отдельно рассматривается вопрос организации цепей питания схемы, который не затрагивается на уровне разработки функциональных схем. В связи с существованием помех из-за связей между элементами по цепям питания, напряжения питания в цифровых устройствах обязательно фильтруются [1]. Самый распространенный способ фильтрации напряжений питания – подключение к шине питания сглаживающих конденсаторов. Обычно для каждого ТЭЗ (на входе схемы) вводится один низкочастотный электролитический конденсатор большой емкости (10 или более микрофарад), и около каждой микросхемы (или для группы из определенного числа микросхем) устанавливается высокочастотный (керамический) конденсатор с емкостью порядка долей микрофарада. Уточненные цифры для конкретных серий элементов приводятся в справочниках.

12

При выполнении принципиальной электрической схемы допустимо и целесообразно применение групповых линий связи (рис. 2.5, б). Проводники следует отмечать именами сигналов (на рисунке указано, что проводник передает сигнал А0). Вблизи микросхемы над линией проводника указывается номер вывода, к которому подключается проводник. Размеры микросхем и навесных элементов должны соответствовать рис. 2.5, в. Принципиальная электрическая схема выполняется согласно требованиям стандарта ЕСКД ГОСТ 2.743–91.

Схема размещается на листе, формат которого определяется ее сложностью. Перечень элементов допускается выполнять и на отдельных листах формата А4. Перечисление элементов в перечне идет по начальной букве обозначения элемента в порядке латинского алфавита.

3.РАБОТА В САПР QUARTUS II

3.1.Последовательность работы в САПР Quartus II

Работа в САПР начинается после завершения предварительных этапов проектирования. Приступая к ней, проектировщик уже должен иметь функциональную схему устройства с интерфейсом блоков между собой.

Прежде всего следует стандартными средствами ОС подготовить директорию для файлов проекта. Далее выполняются следующие действия:

1.Запустить САПР Quartus II.

2.Создать новый проект – File\New Project Wizard. Необходимо избегать путей и наименований с русскими символами.

3.Выбрать семейство и тип микросхемы. Рекомендуется семейство ПЛИС MAX3000A (а при наличии в схеме ЗУ – семейство MAX II) и режим автоматического выбора конкретной ИС.

4.Выбрать графический редактор – File/New/Block Diagram.

5.Если проект строится по иерархическому принципу и содержит встроенные блоки, то выполнять далее по тексту, в противном случае сразу переходить к п. 9. Для большинства заданий в этом курсовом проекте целесообразно представлять проект в следующей форме: вершиной иерархии служит интерфейс узла с МП-системой, а проектируемый узел – вставляемый фрагмент (оформляется отдельным файлом, легко заменяемым на другой вариант реализации узла). Может быть приемлемым и рассмотрение схем в виде одного блока.

15

6.Рисовать схемы (работу в редакторе рассмотрим в 3.2) встроенных блоков, опираясь на средства графического редактора, соответствующие построенным функциональным схемам блоков. При составлении схем использовать стандартные компоненты.

7.Сохранить созданную схему блока – File/Save.

8.Создатьсимвол– File/«Create/Update»/Create Symbol File for Current File.

9.Рисовать схему блока верхнего уровня иерархии, опираясь на средства графического (схемного) редактора, соответствующие функциональной схеме узла. При составлении схем использовать стандартные компоненты и созданные символы фрагментов нижнего уровня.

10.Сохранить схему – File/Save.

11.Компилировать проект (Processing/Start Compilation), опираясь на данные о ПЛИС – Processing/Start Compilation.

12.ОценитьзатратынареализациюпроектаProcessing/Compilation Report.

13.Просмотреть RTL вид проекта и его топологическую реализацию –

Tools/RTL View и Tools/Technology Map View соответственно.

3.2. Работа в схемном редакторе

Помимо традиционных средств работы с файлами, иконки которых расположены сверху рабочего поля, работа в редакторе базируется на использовании рабочих инструментов, иконки вызова которых расположены слева от рабочего поля. Назначение инструментов традиционно:

–вызов символов схемы (Symbol Tools) и символов блоков (Block Symbol); рисование соединений символов проводами (Node Tool), шинами

(Bus Tool), кондуитами (Conduit Tool);

–средства корректировки схем: перемещение объектов или их фраг-

ментов (Selection Tool), использование резиновой нити (Use Rubber-Banding),

при котором провод ведется непрерывно от выбранной начальной точки до конечной, или использование средств частичного выбора линий (Use Partial Line Selection);

–управление масштабом (Zoom Tool);

–переход к полному экрану (Full Screen);

–управление внешним или внутренним расположением окна редакто-

ра (Attach\Detach Window);

–инструменты традиционной графики.

16

Для графического редактора Quartus приняты следующие правила работы с шинами. Для любых действий шины и их фрагменты (включая одиночные линии) должны быть поименованы (например, address [7...0], address [3...0], address 6, address [4]). Для задания имен курсором выбирается шина или линия (выбранный элемент изменит цвет), далее набирается и вводится по Enter имя фрагмента. Имя будет закреплено за данным соединением и может перемещаться для удобства чтения. Места подключения фрагментов автоматически обозначаются точками.

3.3. Работа в редакторе конечных автоматов

Работа в редакторе конечных автоматов выполняется в основном окне редактора при помощи инструментов, расположенных в окне инструментов.

Задача редактора в интерактивном режиме – разместить в основном окне символы состояний с их названиям и дуги переходов из состояния в состояние с указанием логического условия перехода. Кроме того рабочие инструменты позволяют добавлять входные и выходные сигналы автомата в окнах Input Table и Output Table соответственно. Требуемые значения выходных сигналов могут устанавливаться различными способами. Один из вариантов заключается в записи имен выходных сигналов и соответствующих значений во всплывающем окне State Properties\Actions, появляющемся после двойного щелчка на выбранном символе состояния автомата.

Запись логических выражений, соответствующих условиям перехода из состояния в состояние, осуществляется по правилам языка Си (символ операции логического присвоения ==, логические операции &, |, ^). Набор логических выражений для каждого перехода (включая переход на исходное состояние) должен быть полным (включать все входные сигналы, обеспечивающие переходы).

3.4. Процесс моделирования работы узлов средствами пакета Quartus II

Разработанные узлы очень редко оказываются функционирующими в полном соответствии с техническим заданием на проект. Опыт показывает, что некоторые погрешности обнаруживаются даже после нескольких лет практического использования проекта. Основная задача проектировщика состоит в уменьшении вероятности проникновения погрешностей в окончательный проект. Существенную роль в решении этой задачи играют САПР.

17

Программные пакеты автоматизируют процесс создания временных диаграмм, соответствующих воздействию на программную модель проекта тестовых воздействий. Различают функциональные и временные программные модели. Первый тип предполагает нулевые задержки элементов, второй – задержки, определяемые выбранной элементной базой. Функциональное моделирование обычно применяется на начальных этапах проектирования, когда важно убедиться в правильности работы проекта. Затем переходят к моделированию с учетом задержек элементов.

В САПР Quartus II требуемая временная диаграмма выходных сигналов строится при последовательном выполнении двух программных пакетов. При помощи встроенного в САПР редактора временных диаграмм (Waveform Editor) вначале создается шаблон будущей диаграммы (MAX+PLUS II\ Waveform Editor). В шаблоне задается длина диаграммы, шаг диаграммы, перечень входных и выходных сигналов, планируемое поведение входных сигналов. На следующем этапе необходимо запустить программу моделировщика (Processing\Start Simulation). После успешного завершения работы симулятора можно вернуться в редактор временных диаграмм, чтобы посмотреть поведение выходных сигналов проекта.

Рекомендуемый порядок работы в редакторе временных диаграмм приведен в 3.5. Наиболее проблематичным является отказ системы моделирования подготавливать выходные данные для некоторых промежуточных сигналов схем (сообщения и предупреждения системы недостаточно четко определяют причину отказа). Кардинальным методом борьбы с такой проблемой является вывод таких сигналов на выходные контакты. Конечно, подобный вывод сигналов (и требуемая последующая компиляция) обычно приводит к некоторому изменению схемы и некоторых её параметров, чаще всего после определения работоспособности интересующего фрагмента схемы введенные дополнительные контакты могут быть убраны.

3.5. Работа в редакторе временных диаграмм

Временные диаграммы создаются в редакторе временных диаграмм

(File/New/Verificaction\Debugging Files/Vector Waveform File). После этих дей-

ствий появляется окно редактора. Обычно в начале работы с редактором задается общее время моделирования (Edit/End Time) и шаг временной сетки (Edit/Grid Size). Для получения доступа к данным проекта целесообразно

18

сразу выполнить команду File/Save, при этом в выпадающем окне выбрать рекомендуемое имя файла. В окне редактора изменяется имя файла *.vwf.

Следующий шаг заключается в выборе входных и выходных сигналов проекта, предназначенных для отображения во временной диаграмме. После щелчка в поле Name в выпадающем окне Insert Node or Bus выбрать Node Finder и далее для окна Filter выбрать интересующий тип сигналов (Pin, Registers: pre-synthesis, …). После нажатия клавиши List выбирать в списке окна Nodes Foundes интересующие сигналы и пересылать их в окно Selected Nodes. Завершаются действия выбора сигналов традиционно – последовательным нажатием клавиши OK.

Последующая работа связана с формированием требуемой последовательности входных данных (для выходных данных аналогичными действиями можно определить ожидаемые значения). Для формирования значений используется интерактивный режим работы в окне временной диаграммы с применением рабочих инструментов, расположенных слева от рабочего поля. Выделяя требуемый диапазон задания сигнала (группы сигналов), а затем и инструмент, соответствующий желаемому значению сигнала, можно строить желаемую временную диаграмму.

3.6. Оценка временных характеристик разработки

САПР позволяет автоматизировать расчет различных временных характеристик проекта при помощи специального пакета – Processing/Classic Timing Analyzer Tool.

Анализатор позволяет определить три типа временных характеристик: допустимую скорость изменения тактовых сигналов (Registered Performance), задержку выбранных фрагментов комбинационных схем (Custom Delays) и различные временные характеристики (tpd – время, требуемое для прохождения сигнала от входного контакта через комбинационную логику до выходного, tsu – время предустановки входного сигнала для триггерных схем, tco – максимальное время, требующееся для получения устойчивого сигнала на выходном контакте, th – время предустановки входных данных триггера).

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Шифр задания состоит из пяти разделенных точками цифр (четыре десятичных и одна шестнадцатеричная), например 1.2.1.2. 80h.

19