Комплекс средств для обучения проектированию цифровых устройств на ПЛИС Altera с использованием системы Max+plusIIВ. Бродин, А. Калинин, Л. Хохлов, И. Шагурин
Прогресс микроэлектроники привел к созданию программируемых пользователем логических интегральных схем (ПЛИС) с очень высокой степенью интеграции, применение которых, совместно с использованием современных микропроцессоров и микроконтроллеров, позволяет в короткие сроки выполнить разработку и начать производство электронной аппаратуры нового поколения [1,2]. Успехи в разработке ПЛИС позволили журналу в начале 1998 года сказать: "Прощайте, маленькие ASICs, да здравствуют FPGA" [3]. Причем слова о замене "маленьких" заказных микросхем следует воспринимать весьма условно ведь степень интеграции современных ПЛИС типа FPGA достигает нескольких сотен тысяч эквивалентных вентилей. Таким образом, речь идет о реализации на ПЛИС достаточно сложных цифровых систем (напомним, что микропроцессор Intel 386 содержал всего 275 тысяч вентилей).
Развитие ПЛИС существенно изменило задачи и возможности проектировщиков цифровой аппаратуры. Проектирование сложных цифровых устройств на классической базе наборе простейших вентилей и триггеров, сохранилось только при реализации изделий в виде заказных микросхем, изготавливаемых на основе базовых матричных кристаллов или создаваемых из стандартных ячеек. Разработка таких устройств выполняется с помощью дорогостоящих систем автоматизированного проектирования (САПР СБИС), применение которых обеспечивает эффект в случае создания высокосложных изделий массового применения микропроцессоров, микроконтроллеров, стандартных интерфейсных устройств и узлов телекоммуникационного оборудования. Для большинства электронных изделий малой и средней серийности наиболее перспективной является их реализация на базе ПЛИС, которые освободили проектировщиков от необходимости сборки разрабатываемых устройств из отдельных микросхем малой и средней степени интеграции (монтаж из "россыпи"). Можно с уверенностью сказать, что эффективное использование ПЛИС при разработке широкой номенклатуры цифровых устройств является непременным условием для достижения успеха в создании современной электронной аппаратуры.
Применение ПЛИС требует новых знаний и навыков от специалистов промышленности, а следовательно, и от преподавателей технических университетов и студентов. Новой становится технология проектирования цифровых устройств, центральное место в ней занимает описание проекта на языках высокого уровня типа HDL (Hardware Description Language), например, AHDL, VHDL и VerilogHDL. Процесс проектирования стал замкнутым в рамках одного класса инструментальных средств, поскольку появилась возможность исследовать проект с использованием редактора конфигурации микросхемы, функционального симулятора и временного анализатора.
Одним из наиболее известных производителей ПЛИС является фирма Altera. В качестве средства автоматизации проектирования устройств на основе собственных микросхем фирма Altera разработала систему MAX+plusII. Ее продукция стала одним из стандартов "де-факто", отличающимся высоким уровнем при невысокой цене микросхем ПЛИС и скромных требованиях к инструментальному ком-пьютеру (достаточно PC типа 486-DX4 с оперативной памятью от 16 Мбайт).
В лаборатории "Микропроцессорные системы" МИФИ на основе многолетнего опыта использования ПЛИС разработан комплекс средств для обучения проектированию цифровых устройств на ПЛИС Altera с использованием системы Max+plusII. Комплекс включает:
- методические материалы в виде описания лабораторного практикума;
- программное инструментальное обеспечение в виде системы MAX+plusII фирмы Altera. Пакет работает на персональных компьютерах в среде Windows, поставляется в виде дистрибутива на CD;
- аппаратное обеспечение в виде платы лабораторного макета и устройства типа ByteBlaster.
МИФИ имеет лицензию фирмы Altera на применение системы MAX+plusII в учебных целях.
Комплекс может быть установлен на отдельный компьютер для индивидуального обучения, а также на локальную сеть компьютеров учебного класса.
Рис. 1. Плата LabKit-8000
Лабораторный макет LabKit-8000 (рис. 1) реализован на базе ПЛИС типа EPF8282A широко распространенного семейства FLEX 8000 фирмы Altera. Эта ПЛИС содержит около 5000 эквивалентных вентилей, имеет 68 линий ввода/вывода. В реальных проектах может быть использовано до 2500 вентилей и свыше 200 триггеров, что вполне достаточно как для выполнения учебных заданий практикума, так и для практической работы специалистов. Кроме ПЛИС макет содержит устройства ввода и отображения данных, генератор тактовых импульсов частотой 4 МГц, звуковой пьезоизлучатель, стабилизатор напряжения питания. Дополнительные разъемы (18 линий ввода/вывода) позволяют подключать к макету различные модули расширения. Предусмотрен также разъем для тестирования реализуемых устройств в соответствии со стандартом JTAG.
Конфигурация ПЛИС осуществляется с помощью персонального компьютера через кабель типа ByteBlaster, подключаемый к соответствующему разъему макета. При выполнении практикума используется метод последовательной пассивной загрузки конфигурации от компьютера, на котором установлена система проектирования MAX+plusII. 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 практикума. На макете предусмотрена также возможность подключения конфигурационного ПЗУ с последовательной выборкой для конфигурации ПЛИС без использования компьютера.
Разработанный практикум включает пять лабораторных работ.
Работа 1. "Графический ввод схемы устройства и функциональная симуляция с использованием САПР MAX+plusII". В работе изучается графический редактор и осуществляется ввод в систему MAX+plusII принципиальной схемы комбинационного устройства, описанного булевым уравнением. После этого выполняется трансляция проекта, с помощью редактора логико-временных диаграмм формируется последовательность входных тестовых векторов и осуществляется симуляция (логическое моделирование). В результате система MAX+plusII формирует диаграмму состояний для выходов устройства, анализируя которую совместно с таблицей истинности, можно сделать заключение о правильности функционирования разработанного устройства.
Работа 2. "Описание схемы на языке AHDL, использование монитора иерархии проекта САПР MAX+plusII". В этой работе изучается процесс описания цифрового устройства на языке AHDL и создание иерархического проекта. С помощью редактора Text Editor создается текстовый файл описания схемы на языке AHDL. Для ускорения процесса используются шаблоны конструкций языка, заложенные в систему MAX+plusII. Алгоритм программы реализуется с помощью оператора IF_THEN_ELSE. На основе текстового файла создается символьный файл, который с помощью редактора Graphic Editor включается в иерархический проект вместе с устройством, созданным в первой работе. Для анализа иерархического проекта используется монитор Hierarchy Display. После этого выполняется трансляция проекта, формирование тестовых векторов и симуляция в последовательности, аналогичной предыдущей работе.
Работа 3. "Разработка комбинационных схем, программирование ПЛИС и анализ размещения схемы на кристалле". Работа посвящена проектированию комбинационных схем с использованием платы LabKit-8000, а также анализу и редактированию размещения схемы устройства на кристалле ПЛИС с помощью редактора конфигурации FloorPlan Editor системы MAX+plusII. Рассматривается функционирование схемы дешифратора для семисегментного индикатора и пример его описания на языке AHDL в виде таблицы. Перед трансляцией определяется тип микросхемы ПЛИС для реализации проекта и функции ее выводов. После трансляции с помощью приложения Programmer осуществляется загрузка кода программы через ByteBlaster в ПЛИС на плате лабораторного макета LabKit-8000. Проверка работы дешифратора осуществляется вводом кода входных сигналов с переключателей и наблюдением знаков на семисегментном индикаторе. Для анализа размещения схемы устройства на кристалле используется редактор конфигурации FloorPlan Editor (рис. 2). С его помощью выполняется коррекция размещения выводов, после повторной трансляции работа дешифратора вновь проверяется с использованием платы LabKit-8000.
Рис. 2. Изображение конфигурации ПЛИС
Работа 4. "Разработка последовательностных схем, временной анализ в системе MAX+plusII". В работе практически осваивается проектирование последовательностных схем на примере программируемого счетчика/таймера типового узла современных микроконтроллеров. Особое внимание уделяется выполнению анализа временных характеристик разработанной схемы с помощью приложения Timing Analyzer, который производится после процедуры размещения и трассировки схемы на кристалле ПЛИС (рис. 3). При этом исследуется влияние размещения элементов и выводов на кристалле на быстродействие проектируемого последовательностного устройства.
Рис. 3. Результаты расчета быстродействия устройства
Работа 5. "Построение конечных автоматов (на примере арифметико-логического устройства RISC-микроконтроллера)". В завершающей работе практикума проектирование сложных конечных автоматов изучается на примере регистрового АЛУ ядра микропроцессорных и микроконтроллерных устройств. В процессе выполнения работы проектируется схема АЛУ, реализующего набор основных арифметических и логических операций, проверяется правильность их выполнения.
При выполнении практикума особое внимание уделяется самостоятельной работе. Следует отметить, что система MAX+plusII предоставляет пользователям широкие возможности ее освоения с помощью опции Help (для ее использования требуется, естественно, знание английского языка). Методика проведения работ предполагает сначала выполнение обязательного задания, реализация которого подробно описана в разработанном учебном пособии. Затем самостоятельно выполняется разработка индивидуального проекта. Для каждой работы предлагается набор, содержащий 10-20 заданий на проектирование типовых цифровых узлов и блоков: дешифраторов, компараторов, сумматоров, умножителей, регистров, счетчиков, генераторов кодов и других комбинационных и последовательностных схем. В устройствах, проектируемых по этим заданиям, используются размещенные на макете средства ввода и вывода данных: переключатели, кнопки, светодиоды, индикаторы, генератор импульсов, пьезоизлучатель. Таким образом обеспечивается наглядность результатов при функционировании разработанной схемы.
Данный практикум предполагается использовать как при обучении студентов соответствующих специальностей, так и для повышения квалификации специалистов промышленности.
При обучении студентов освоение методов реализации цифровых устройств на базе ПЛИС целесообразно проводить вместе с изучением классических методов проектирования. Будущие специалисты должны освоить основные способы преобразования и минимизации логических функций, научиться проектировать разнообразные устройства из набора серийно выпускаемых микросхем малой и средней степени интеграции или комплекта стандартных ячеек, используемых при разработке заказных БИС. Одновременно они должны научиться проектировать аналогичные устройства на базе ПЛИС, уметь провести сравнение технических и экономических характеристик устройств, реализуемых различными методами. Тогда в последующей деятельности они смогут обоснованно выбирать конструкторско-технологическую базу для выполнения своих проектов и находить оптимальные решения в соответствии с поставленными требованиями.
Для повышения квалификации специалистов промышленности, уже имеющих опыт разработки устройств на базе серийных микросхем, достаточно провести цикл практического освоения методики проектирования цифровых схем на базе ПЛИС с использованием данного лабораторного практикума. При этом теоретический раздел обучения может быть сокращен до одной вводной лекции, а основное внимание уделено практической реализации проектов на лабораторном макете. Длительность цикла обучения в этом случае может составить от 16 до 32 часов (36 дней) в зависимости от исходной подготовки специалиста. Предполагается организация таких циклов в МИФИ на платной основе. Достаточно подготовленные специалисты могут самостоятельно освоить методику проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС Altera, используя разработанный лабораторный макет, учебное пособие и необходимое программное обеспечение.
Литература
- Шипулин С., Храпов В. Основные тенденции развития ПЛИС // Электронные компоненты. 1996. ╧ 3-4. С. 2627.
- Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС. Занятие 1. Обзор элементной базы // Chip News. 1999. #8. с. 26.
- Прощайте, маленькие ASICs, да здравствуют FPGA // Chip News. 1998. ╧ 2. С. 2325.
Тел.: (095) 362 7422
E-mail: pel@srv-vms.mpei.ac.ru
promel@mail.ru
|
Elijahexill пишет... https://bit.ly/2FyoGOs - 100ГАРАНТИРОВАННЫЙ МЕТОД РАЗВЕСТИ ДЕВУШКУ НА СЕКС 15/09/2020 11:11:53 |
|
BobbyChert пишет... Только самые лучшие и эффективные методы и методы продвижения
18/09/2020 14:37:43 |
|
EdwardQuoro пишет... Привет! Нашел в интернете ресурс с полезными роликами. Прикольно. Захотел поделиться
19/03/2021 12:37:17 |
|
hjf пишет... Интернет-реклама по праву стала одним из основных инструментов продвижения товаров равным образом услуг на сегодняшний денек выдался солнечный. Во многих странах расходы повсечастно популизаторство в Интернете или Интернет-маркетинг превышают расходы в любой момент наружную рекламу, рекламу в печатных СМИ как и рекламу до гроба телевидение. также это конечно оправдано, в частности в какой степени стремительный рост количества пользователей сетью Интернет создает благоприятные условия для развития Интернет-коммерции. Интернет как и электронные хлеб коммуникаций позволяют гораздо сократить дата всегда поиск и обработку информации необходимой для совершения покупки. Нонче покупателям не стоит только ходить по выставкам в свой черед магазинам, чтобы найти необходимый товар также привлекательные условия покупки. Покупателю довольно ввести интересующий обращение в поисковой системе, позднее подобрать под себя несколько компаний, из числа первых в результатах поиска, чтобы сделать анализ предложений также получить заказ. А продавцам товаров равным образом услуг, в свою очередь, чтобы наладить продажи, стоит только:
28/02/2022 06:28:49 |
|
dwa пишет... Интернет-реклама по праву стала одним из основных инструментов продвижения товаров также услуг перманентно сегодняшний сеногной. Во многих странах расходы повсечастно передача в Интернете или Интернет-маркетинг превышают расходы повсечастно наружную рекламу, рекламу в печатных СМИ в свой черед рекламу всегда телевидение. И это конечно оправдано, так до чего стремительный рост количества пользователей сетью Интернет создает благоприятные условия для развития Интернет-коммерции. Интернет в свой черед электронные хлеб коммуникаций позволяют значительно сократить пора повсечастно поиск равным образом обработку информации необходимой для совершения покупки. Нонче покупателям не стоит ходить по выставкам также магазинам, чтобы найти необходимый товар как и привлекательные условия покупки. Покупателю ублаготвореннно ввести интересующий концентрирование в поисковой системе, затем наметить несколько компаний, из числа первых в результатах поиска, чтобы сделать анализ предложений и произвести заказ. А продавцам товаров также услуг, равно как, чтобы наладить продажи, нужно:
06/03/2022 20:39:26 |
|
Olivervce пишет... Привет исключительно блог! Работает ли ведение блога подобного этому требуется много работы? у меня практически нет понимания кодирования но я был надеюсь начать свой собственный блог скоро. В любом случае, должны ли быть какие-либо идеи или методов для новых владельцев блогов, пожалуйста, поделитесь ими. понимаю это не в тему тем не менее я просто хотел спросить. Спасибо за это!
18/04/2023 02:02:36 |
|
FrankNal пишет... Стилист, дизайнер и байер Евгений Моросников, который одевает российских селебрити, создал собственную линию одежды by Morosnikov. Ее уникальность, по словам мастера, заключается в универсальности: эта одежда идеально впишется в гардероб практически любого человека.
15/05/2023 10:09:06 |
|
Timmyzoort пишет... Вавада казино является лидером и входит в топ 10 лучших казино России. Хорошее казино то, которому доверяют клиенты. Уамада
31/05/2023 12:52:40 |
|
Robertrjn пишет... Вы когда-нибудь рассматривали публикацию электронной книги или гостевой авторской работы на других блогах? У меня есть блог, основанный на той же темах, которые вы обсуждаете, и мне бы любить, чтобы вы поделились некоторыми историями/информацией. Я знаю, что мои читатели будут оценивать вашу работу. Если вы хотя бы отдаленно заинтересованы, не стесняйтесь отправить мне электронное письмо.
12/07/2023 22:29:40 |
|
Oliverotn пишет... Привет Я так в восторге Я нашел вашу веб-страницу, я действительно нашел вас по ошибке, когда просматривал на Bing для что-то еще, во всяком случае я сейчас здесь и просто хотел бы сказать ура за изумительный пост и полный захватывающий блог (мне также нравится тема/дизайн), у меня нет времени просматривать это все в минуту, но я отметил это, а также добавил ваши RSS-каналы, поэтому, когда у меня будет время, я вернусь, чтобы прочитать гораздо больше, пожалуйста, продолжайте в том же духе фантазии тик работа.
15/07/2023 05:21:34 |
|
Berylekf пишет... Очень отличный пост. Я просто наткнулся на ваш блог и хотел сказать, что мне действительно любил серфинг вокруг ваших сообщений в блоге. в конце концов я подписываться на на ваш канал и надеюсь ты пишешь опять очень скоро!
07/09/2023 01:10:07 |
|
Nicolrearp пишет... Чрезвычайно пользователь приятно сайт. Огромный информация предлагаемый несколько переход к. Посетите также мою страничку
10/11/2023 14:27:42 |
|
Williamrearp пишет... Страсть к сайту -- чрезвычайно пользователю дружелюбно и отличных предложений, чтобы увидеть! Посетите также мою страничку
12/11/2023 02:12:10 |
|
Eddiefub пишет... трудно найти опытных людей для этого теме, однако ты похоже ты знаешь, о чем говоришь! Спасибо
14/01/2024 21:04:27 |
|
DanteDioms пишет... Карта зарубежного банка это дебетовая карта, изданная финансовым учреждением из другой страны. Иностранные банковские карты могут использоваться для покупок в магазинах, снятия наличных в терминалах самообслуживания и проведения платежей в интернете.
23/03/2024 12:59:50 |
|
DanteDioms пишет... Это действительно привлекает внимание, вы чрезмерно профессиональный блоггер. я присоединился к вашей rss-каналу и буду в курсе ищите дополнительных ваших великолепных сообщений. Также, я поделился вашим сайтом в своих социальных сетях.
16/04/2024 12:46:08 |
|
DanteDioms пишет... Это действительно хороший и полезный фрагмент информации. Я удовлетворен что вы просто поделились с нами этой полезной информацией. Пожалуйста, оставайтесь нас в курсе вот так. Спасибо за то, что поделились.
17/04/2024 13:47:44 |
| Ваш комментарий к статье | ||||
