LABORATORIO DE DISEÑO DIGITAL

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1 euskal herriko unibertsitatea-universidad del país vasco Dpto. de Arquitectura y Tecnología de Computadores eman ta zabal zazu Universidad del País Vasco Euskal Herriko Unibertsitatea Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila, Euskal Herriko Unibertsitatea, 649 p.k Donostia Guía del programa QUARTUS Edición y Simulación ATC LABORATORIO DE DISEÑO DIGITAL QUARTUS II LDD 07/08 1

2 0. INTRODUCCION QUARTUS, es una herramienta avanzada de diseño ayudado por computador (CAD) que la compañía ALTERA ha creado para diseñar sistemas digitales e implementarlos en dispositivos de lógica programable. Durante el curso la utilizaremos en todas las etapas involucradas en la realización de un proyecto de diseño digital: edición, simulación, programación y verificación En estas páginas se explica de manera breve el funcionamiento básico de esta herramienta y las opciones que existen a la hora de definir y simular el sistema digital. De todos modos, esto no es un manual de la aplicación, sino sólo una guía rápida.. 1. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE UN SISTEMA DIGITAL Usando la herramienta QUARTUS, estas son las etapas que deben seguirse para diseñar un sistema lógico: 1 Definición del sistema lógico, que en función de su complejidad se subdividirá en subsistemas formando una estructura jerárquica. Cada uno de estos subsistemas se definirá de alguna de las siguientes maneras: Editando gráficamente su esquema, esto es, dibujando su esquema a partir de bibliotecas de elementos básicos y símbolos que representan otros subdiseños. Editando en forma de texto o escribiendo su descripción en un lenguaje de descripción de hardware como VHDL. 2 Compilación: Después de definir el circuito, éste debe compilarse. Se detectan errores introducidos en la definición. Tras corregirlos se crea un fichero que contiene la lógica del sistema y que permitirá simular su funcionamiento. Este es el momento de elegir una PLD concreta en la que programar el sistema completo. El compilador necesitará esta información para realizar simplificaciones y minimizar la lógica del sistema adecuándola de la mejor manera a la PLD. 3 Definición de entradas Todo sistema lógico procesa señales externas y genera resultados. Por ello, antes de simular el funcionamiento del mismo, hay que definir sus entradas, es decir los valores aplicados a todas las entradas del sistema durante el tiempo que dure la simulación. Para definir las entradas se utiliza un editor de formas de onda 4 Simulación lógica: A continuación, ya puede realizarse la simulación lógica del sistema, verificando su comportamiento. Se pueden realizar dos tipos de simulación: simulación funcional o lógica y simulación temporal o física. En la primera no se tienen en cuenta los tiempos de respuesta del circuito ni los retardos. En la segunda, en cambio, sí. 5 Implementación en PLD: Una vez comprobado que el sistema funciona como se desea, puede programarse en un dispositivo PLD, si ese es el objetivo. Después, en el laboratorio, se realizarán las fases de montaje y prueba. El programa funciona mediante menús. A continuación se va a describir de manera muy breve las pautas a seguir para diseñar con esta herramienta. QUARTUS II LDD 07/08 2

3 2. PASOS A SEGUIR EN EL DISEÑO DE UN SISTEMA DIGITAL 1. Directorio de diseño Siempre que vayamos a definir un módulo, crearemos en el directorio de trabajo (por ejemplo: ProyectosQuartus) una carpeta con el nombre del módulo, que deberá ser el mismo que el proyecto de Quartus que creemos, por ejemplo Proyecto1. A la hora de definir mediante QUARTUS uno de nuestros diseños, mantendremos la estructura jerárquica utilizada al realizarlo, pero en la definición (gráfica o textual) seguiremos la filosofía Bottomup; esto es, se comienza diseñando los submódulos de nivel más bajo hasta completar el diseño total. En el punto más alto de la jerarquía, tendremos un módulo que representará el diseño completo y que incluirá símbolos de los submódulos que lo componen. Supongamos que el directorio en el que vamos a guardar nuestros diseños se llama ProyectosQuartus y que nuestro diseño de llama Proyecto1. Éste, a su vez, consta de los submódulos proyecto11 y proyecto 12. La estructura de directorios a crear sería: ProyectosQuartus Proyecto1 Proyecto2 ProyectoN Proyecto11 Proyecto12 Empezaremos diseñando Proyecto11 y proyecto12, luego pasaremos a diseñar proyecto1 y para ello lo que aremos es crear la carpeta proyecto1 y copiar en ella los ficheros.vhd,.bdf y.bsf de los submódulos proyecto11 y proyecto Abrir Quartus II y crear un nuevo proyecto de diseño. Seleccionar: File New Project Wizard Aparece una ventana en la que nos indica los 4 tipos de información que hemos de suministrar: QUARTUS II LDD 07/08 3

4 a) Nombre del directorio seleccionado, proyecto, y módulo, y nombre del nivel más alto de la jerarquía (el del módulo que estamos diseñando). b) Otros diseños, submódulos o elementos de librería que se quieran utilizar en nuestro diseño. c) Nombre de la familia y dispositivo en que se va a implementar el diseño. d) Herramientas EDA a utilizar. Se abren por tanto 4 nuevas ventanas: a) Directorio del proyecto: hay que indicar el directorio donde se va a guardar el proyecto, el nombre del proyecto y el nombre del módulo. Se recomienda que los tres nombres sean iguales. Se ha de comenzar por el módulo más bajo de la jerarquía, en este caso Proyecto11. b) Submódulos: Aquí puede especificarse la localización de submódulos previamente diseñados que se encuentren en otras carpetas. En nuestro caso, vamos a copiar todos los submódulos prediseñados a la carpeta del proyecto, así que dejaremos la ventana vacía (por defecto está así). c) Familia y dispositivo: Se utilizará el dispositivo EPF10K20RC240-4 de la familia FLEX 10K d) Herramientas de diseño. utilizaremos las incluidas por defecto. 3. Abrir un fichero de diseño (esquemático o de texto). En este fichero se a diseñar nuestro módulo, en este caso tendrá de nombre proyecto11. Se puede escoger entre un fichero VHDL o un fichero tipo schematic entre otros. Empezaremos por un fichero schematic. Se ejecuta: File New 4. Descripción del circuito. Al haber elegido un fichero de tipo schematic, aparece un hoja en la que vamos a poder describir nuestro diseño a nivel de esquemáticos, interconectando los símbolos de los distintos elementos mediante cables o por el nombre de las señales. Para añadir los elementos, no tenemos más que picar 2 veces con el botón izquierdo del ratón sobre el área de dibujo. Aparece un menú que muestra las distintas librerías disponibles, y en las que se podrán seleccionar bloques como: puertas lógicas, memorias, aritméticos, registros, pines de entrada/salida,etc.. QUARTUS II LDD 07/08 4

5 5. Compilar el diseño. Una vez que se han insertado todos los componentes, sus conexiones y los pines de entrada/salida, el siguiente paso consiste en compilar el diseño. Para lo cual se ha de ir al menú Processing y seleccionar Start Compilation. Este proceso supone que el dispositivo donde se va a implementar el diseño es el seleccionado en el punto 1. Los resultados de la compilación así como los mensajes de error aparecen en la parte inferior de la pantalla. Se corregirán los errores y se volverá a compilar hasta conseguir una versión correcta. 6. Creación del símbolo. Para poder utilizar un módulo como un elemento dentro de un diseño de complejidad funcional mayor, es necesario crear un símbolo para el. Para ello, basta hacer: File create/update/create symbol... Nota: Cada vez que se modifique una entrada o salida de un módulo habrá que actualizar su símbolo. QUARTUS II LDD 07/08 5

6 7. Simulación. Una vez que la compilación es correcta el siguiente paso es simular el funcionamiento de nuestro diseño. Si funciona correctamente tendremos ya un modulo que podrá servir para configurar una PLD. Loas pasos a seguir son: 1. Generar las entradas al sistema (su evolución en el tiempo) 2. Elegir las señales a analizar. 3. Simular y comprobar el resultado. Si no es correcto modificar el diseño y volver a simular. 1. Para generar las señales de entrada, se usa un editor de ondas: File new (other files) vector waveform file Asignarle el mismo nombre que el módulo y proyecto a simular (con la extensión vwf). Una vez abierto el nuevo fichero, picando con el botón derecho del ratón en la columna de la izquierda de la ventana de simulación seleccionar insert node or bus y luego Node Finder. Se desplegará una ventana en donde pulsando list aparecerán todas las entradas y salidas de nuestro módulo y algunos nodos internos. QUARTUS II LDD 07/08 6

7 Seleccionar los nodos que se quieran incluir como entradas y salidas de simulación. Seguir las siguientes pautas a) Definir la duración de la simulación: EDIT END TIME. b) Definir el tamaño de la cuadricula (grid) de la hoja de simulación ya que la definición posterior del reloj depende de dicho tamaño GRID SIZE. Para ello EDIT GRID SIZE. QUARTUS II LDD 07/08 7

8 c) Para definir las formas de onda de las señales de entrada al módulo, utilizar la paleta que está a la izquierda de la ventana de simulación. Por ejemplo, para definir el reloj, picar en el icono que lo representa en la paleta y definir el periodo ( por defecto: el periodo será el doble del tamaño del grid, y el duty cycle será del 50%). d) Una vez preparado el fichero de simulación se ha de realizar dicha simulación Procesing Start simulation. Se abre una ventana con los resultados de la simulación. QUARTUS II LDD 07/08 8

9 e) Análisis de resultados: Una vez realizada la simulación se han de analizar los resultados. Para ello, resulta útil el visualizar diferentes tramos de los resultados usando las posibilidades de : zoom, truncamiento,etc..., e imprimirlos. Como paso previo es necesario guardar dichos resultados (se pueden guardar tramos diferentes con nombres distintos). También es conveniente usar las diferentes opciones que dispone el menú de impresión: print preview, etc.. 8. Diseño jerárquico.. A la hora de realizar un diseño jerárquico, cuando se aborda el diseño de un módulo de jerarquía superior debe crearse un nuevo proyecto y se han de copiar en la carpeta de este nuevo proyecto los ficheros (.vhd,.bdf y.bsf) correspondientes a todos los submódulos que se van a utilizar. QUARTUS II LDD 07/08 9