Бродин В.Б., Калинин А.Б. Схемы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики, 2002

Проверьте, что значения функции f соответствуют таблице истинно­ сти. Закройте окно редактора диаграмм.

5 .4 . Описание схемы на AHDL, работа с монитором иерархии проекта MAX+plusll

Система MAX+plusll имеет возможность ввода текстового описания цифровой схемы на языке AHDL (Altera Hardware Description Language),

созданного с помощью встроенного или любого другого текстового редак­ тора. Текстовые файлы в системе MAX+plusll имеют расширения .tdf (Text Design File). Встроенный текстовый редактор способен оказывать мощную поддержку пользователю, предоставляя шаблоны конструкций языка AHDL.

Опишем в виде текста на языке AHDL мультиплексер, схема которого приведена ниже.

Сохраним описание в файле mux 1.tdf. Далее с помощью графического редактора создадим комбинированный проект верхнего уровня, подключив к одному из входов мультиплексера комбинационное устройство, описан­ ное в виде принципиальной схемы в предыдущем параграфе (графический файл graphicl.gdf). Проект верхнего уровня рассмотрим с помощью мони­ тора иерархии проекта, а затем проверим работу устройства методом мо­ делирования с использованием приложения Simulator.

Создание текстового файла. Для вызова приложения-текстового ре­ дактора нужно выбрать File |New и в диалоговом окне указать Text Editor file. После ввода OK откроется окно текстового редактора с неименован­ ным файлом. Нужно присвоить ему имя и сохранить (File | Save As) в нужной директории, например, с именем mux 1.tdf. Связать проект с те­ кущим файлом можно, выбрав File I Project | Set Project to Current File.

Указанное имя muxl появится в заголовке окна Manager. После этих ша­ гов можно создавать собственно текст описания устройства на языке AHDL. Для этого первоначально целесообразно использовать шаблоны конструкций языка. Шаблоны доступны после выбора Templates | AHDL Template. В диалоговом окне перечислены доступные разделы, первым идет Overall Structure, помогающий формировать структуру программы. Выберите этот раздел, и после появления его содержимого в окне тексто­ вого редактора, ознакомьтесь со структурой программы. Видно, что мно­

Сохраните файл (Ctrl+S) и проверьте его на синтаксические ошибки,

выбрав File | Project | Save&Check (Ctrl+K). Создайте из него символьный файл muxl.sym, выбрав File | Create Default Symbol.

Создание графического файла верхнего уровня. Сейчас с помощью графического редактора мы создадим головной файл проекта f_mu.x1.gdf, включающий как составные части ранее созданные файлы graphicl и тих1. Схема, которая будет получена в результате, приведена на рис. 5.9.

WUY

.«СС

Рис. 5.9. Графический файл верхнего уровня

Создание иерархического проекта, состоящего из различных модулей, имеет следующие преимущества:

•улучшается восприятие проекта и связей внутри него;

•после определения интерфейса между модулями реализацию отдель­ ных модулей можно поручить разным специалистам;

•созданные и отлаженные модули можно использовать в этом проекте и последующих, как библиотечные.

Последовательность действий по созданию иерархического проекта следующая:

•укажите в качестве имени текущего проекта f_mux1 (как делалось ранее или комбинацией клавиш Ctrl+Shift+J)]

•скопируйте в окно графического редактора символьный файл создан­ ного в предыдущей работе графического файла graphicl. Вначале символьный файл нужно создать, открыв файл graphicl.gdf и выбрав File | Create Default Symbol. Далее закройте этот файл, вернитесь в головной файл проекта f_mux1 .gdf и щелкнув дважды мышью в нуж­

ном месте экрана (перед предыдущим изображением) введите в диа­ логовом окне имя graphicl. После ввода ОК условное символьное изображение описанной ранее в графической форме схемы появится в выбранном месте экрана;

•введите, используя библиотеку примитивов, пять входных портов и один выходной;

•определите имена всех портов;

•соедините линии выводов входных портов и символьных изображений обоих устройств, а также выход устройства muxl с выводом выходно­ го порта.

Сохраните получившийся графический файл, который должен содер­ жать изображение, приведенное на рис. 5.9.

Работа с монитором структуры проекта. Структуру (иерархию) про­ екта можно увидеть, используя специальное приложение. Введите команду Max+plusII |Hierarhy Display или щелкните по соответствующей панели меню инструментов. Откроется окно, в котором проект представлен в ви­ де, соответствующем рис. 5.10. Структура головного проекта изображена в виде дерева, указаны имя каждого файла и исходный тип, а также иконка. Двойной щелчок по иконке открывает исходный файл нижнего уровня с помощью соответствующего редактора. Слева от каждой ветви указаны файлы с такими же именами, но другими расширениями, которые созданы в процессе обработки исходного файла.

Рис. 5.10. Окно монитора структуры проекта

Симуляция. Выполним симуляцию нашего иерархического проекта. Последовательность действий следующая:

•создадим с помощью редактора временных диаграмм файл, где будут находиться тестовые векторы и результаты симуляции. Для этого от-

Рис. 5.12. Результаты симуляции проекта f muxl

Проверьте, что значения функции f соответствуют таблице истинно­ сти. Закройте окно редактора диаграмм.

5 .5 . Проект АЛУ RISC-микроконтроллера

Степень интеграции современных ПЛИС и уровень развития систем проектирования типа MAX+plusll позволяют рассматривать программи­ руемую логику как альтернативу специализированным и заказным микро­ схемам. Кроме того, с помощью ПЛИС можно реализовать прототип циф­ рового устройства или процессора с заданными характеристиками. Далее,

через описание на одном из языков HDL (Hardware Description Language)

проект может быть перенесен и реализован в виде специализированной БИС.

В этом параграфе будет продемонстрирована возможность реализации на ПЛИС EPF8282ALC84 арифметико-логического устройства (АЛУ) RISC-микроконтроллеров типа PIC16 фирмы Microchip. Кроме реализа­ ции фрагмента АЛУ, проект включает интерфейс ввода данных с пере­ ключателя макета и вывода на устройства отображения. Это позволяет провести тестирование разработанного устройства.

RISC-микроконтроллеры представляют собой современное поколение микропроцессорных средств. Они характеризуются следующими особенно­ стями архитектуры:

•код программы и данные выбираются из разных матриц памяти - так называемая гарвардская архитектура. При этом размер слова памяти программ и данных может отличаться. В рассматриваемых микрокон­ троллерах PIC16 слово команды 14-разрядное, а слово данных 8- разрядное;

•набор команд сокращен, он обеспечивает только простые арифметиче­ ские операции и минимальный набор условных переходов. Слово ко­ манды имеет фиксированную длину, поэтому все команды выбираются за один машинный цикл;

•память программ внутренняя, это ускоряет выборку команд;

•команды слабо кодированы, имеют отдельные поля операций, адреса­ ции и данных. Это исключает дешифрацию и ускоряет выполнение ко­ манд.

Благодаря таким особенностям все команды, за исключением команд управления, выполняются за один машинный цикл.

Структура устройства, которое мы будем проектировать, имеет вид, приведенный на рис. 5.13.

Регистр команд

Константа

Код операции

(литерал)

Рис. 5.13. Структура устройства на основе регистрового АЛУ

Устройство, кроме комбинационной схемы 8-разрядного АЛУ, содер­ жит регистр команд, рабочий регистр W, регистр флагов STATUS. АЛУ в соответствии с кодом команды выполняет операции целочисленного сло­ жения и вычитания, сдвиги вправо и влево, логические операции. В двухоперандных командах один из операндов берется из рабочего регистра W, а другой извлекается из регистрового файла или является частью кода ко­ манды (константа). В однооперандных командах операнд берется из реги­ стрового файла или рабочего регистра.

Результатом АЛУ-операции является новое содержимое рабочего реги­ стра W и регистра флагов STATUS. Регистр STATUS включает следую­ щие флаги:

При реализации устройства будем рассматривать подмножество ко манд микроконтроллеров PIC16, которое содержит арифметические ко­ манды над литералом и содержимым рабочего регистра.

Результат заносится в рабочий регистр, признаки результата заносятся в регистр флагов. Код операции содержится в команде в поле OPCODE, литерал находится в команде в поле k (literal).

Длина слова команды большинства микроконтроллеров PIC16 равна

У рассматриваемого подмножества команд старшие 2 бита содержат код 11, поэтому мы их учитывать не будем. Следующие 4 бита (11..8) со­ держат уникальный код операции, младшие 8 бит содержат значение ли­ терала (константы).

Таблица реализуемых устройством команд

"х" означает безразличное значение бита.

Addlw

Описание: содержимое регистра W добавляется к 8-битному литералу к', результат помещается в W