Diseño y verificación en VHDL de microcontrolador implementado en FPGA

Transcripción

1 SEMINARIO DE EXTENSIÓN DE ISLD 2016 uc16 Diseño y verificación en VHDL de microcontrolador implementado en FPGA Sergio Noriega Clase inicial: Jueves 18 de Agosto, de 8:15 a 10:15 hs, Sala de Conferencias 1. Siguientes clases: Jueves 25 de Agosto y 1, 8 y 15 de Septiembre.

2 MÓDULO 1 Sergio Noriega

3 OBJETIVOS EL PRESENTE SEMINARIO TIENE COMO OBJETIVO, INTRODUCIR A LOS ALUMNOS AL DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES COMPLEJOS, EMPLEANDO TÉCNICAS BASADAS EN LENGUAJE DE DESCRIPCIÓN DE ALTO NIVEL DE ABSTRACCIÓN,COMO ES EL VHDL Y EN PARTICULAR, ADENTRARSE EN EL DESARROLLO DE UN SISTEMA MICROPROCESADOR, EL CUAL ESTARÁ TOTALMENTE CONTENIDO DENTRO DE UNA FPGA. A DIFERENCIA DE LOS ESQUEMAS TRADICIONALES DE ENSEÑANZA PARA ENCARAR EL DISEÑO DE UN MICRO, AQUÍ SE EMPLEARÁ UNA FILOSOFÍA BASADA EN DISEÑAR HARDWARE PARA EL CONTROL DE UNA MEMORIA RAM, LA CUAL IRÁ EVOLUCIONANDO PASO A PASO. EN FORMA SECUENCIAL SE IRÁ INCREMENTANDO LA CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO DE DICHA UNIDAD DE CONTROL, PUDIENDO SER EXTENSIVO PARA EL CONTROL DE OTROS PERIFÉRICOS, TALES COMO CONVERSORES DE DATOS, GENERADORES PWM, PLL S, ETC. SE TRABAJARÁ EN BASE A UN MICRO CON ARQUITECTURA TIPO CISC DONDE LA CPU SE DISEÑARÁ EN BASE A MÁQUINA DE ESTADOS. DADO QUE EL DISEÑO SE DESARROLLARÁ DE MANERA SECUENCIAL, INCREMENTANDO EN CADA PROYECTO LA COMPLEJIDAD DE FUNCIONES, NO SE CONSIDERARÁN OPTIMIZACIONES EN CUANTO AL REORDENAMIENTO DE ESTADOS REQUERIDOS, (SALVO ALGUNA EXCEPCIÓN) A FIN DE SIMPLIFICAR EL SEGUIMIENTO DE LA EVOLUCIÓN DE LA MÁQUINA DE ESTADOS. Sergio Noriega

4 DIAGRAMA EN BLOQUES DE UN SISTEMA BÁSICO DE MICROPROCESADOR BUS DE CONTROL up BUS DE DIRECCIONES Memoria + Periféricos BUS DE DATOS Sergio Noriega

5 PROYECTO RAM Descripción en VHDL de una memoria SRAM de simple puerto (RAM) Sergio Noriega

6 MEMORIA RAM MEMORIA FPGA address 12 BUS DIR MEM GENERADOR DE ESTÍMULOS DESDE TEST BENCH clock wren q BUS DATA MEM OUT 16 data BUS DATA MEM IN RAM

7 RAM ESTA ES UNA DE LAS POSIBLES MANERAS DE DESCRIBIR MEMORIA RAM SINCRÓNICA PARA QUE LUEGO EL COMPILADOR RECONOZCA Y SELECCIONE LOS BLOQUES DE RAM DEDICADOS PARA SU IMPLEMENTACIÓN. VENTAJA: DISEÑO OPTIMIZADO. DESVENTAJA: NO ES PORTABLE A OTRAS FPGA QUE NO TENGAN RAM DEDICADA.

8 RAM REGISTROS = 4096 ANCHO PALABRA =16 MODELO DE RAM CONFIGURADA: ADDRESS, DATA IN, WREN = SINCRO. DATA OUT = ASINCRO. USE RAM DEDICADA

9 RAM

10 RAM CONTENIDO DEL ARCHIVO RAM.HEX PARA ESTE PROYECTO FILE CONTENIDO EN HEXA DE LA MEMORIA RAM UNA VEZ CREADA. EN FILE NEW MEMORY FILES: SE ELIGE EN ESTE CASO, HEXADECIMAL FILE.

11 RAM REPORTE FINAL DEL COMPILADOR DETECCIÓN DEL COMPILADOR DE MEMORIA RAM

12 RAM Descripción del testbench en VHDL de la memoria SRAM especificada anteriormente.

13 RAM Después de declarar e instanciar la entidad de la memoria a probar, se generan dos procesos concurrentes: 1 El del reloj, denominado gen_reloj. 2 El de las señales estímulo, denominado estimulos.

14 RAM Diagrama temporal del TEST de la memoria RAM LECTURA DE LA RAM ESCRITURA DE LA RAM LECTURA SE LEEN LAS 10 PRIMERAS POSICIONES DE MEMORIA RAM, LUEGO SE LAS ESCRIBE CON NÚMEROS CONCECUTIVOS Y SE VUELVEN A LEER DESDE EL INICIO LAS 20 PRIMERAS.

15 RAM SECUENCIA DE INICIAL DE LECTURA DE DATOS: SE LEEN TODOS X FFFF SEGÚN LA INICIALIZACIÓN DE LA MEMORIA.

16 RAM LUEGO DE LA SECUENCIA DE ESCRITURA SE LEEN LOS DATOS PREVIAMENTE ESCRITOS.

17 CU1 PROYECTO CU1 Descripción de un control de memoria RAM elemental para escritura-lectura con una máquina de estado y un registro contador. Sergio Noriega

18 X 0000 MEMORIA RAM MEMORIA X 0000 PC16 FPGA RST CLK address 12 BUS DIR MEM VALORES CONSTANTES opselecpc, clockpc clock CONTROL clock wren 16 q BUS DATA MEM OUT 16 data BUS DATA MEM IN CU1

19 PC16 PC16 FPGA clockpc opselecpc (1..0) GENERADOR DE ESTÍMULOS DESDE TEST BENCH entradapc salidapc 16 16

20 Descripción en VHDL de un registro-contador de 16 bits preseteable (PC16) Sergio Noriega

21 PC16

22 PC16

23 PC16 Sergio Noriega

24 PC16

25 CU1 INSTANCIACIÓN DE LAS ENTIDADES RAM Y PC16 DESCRIPTAS EN ARCHIVOS SEPARADOS E INVOCADOS AQUÍ COMO COMPONENTES

26 CU1

27 CU1

28 CU1 REPORTE DEL COMPILADOR

29 CU1 DIAGRAMA TEMPORAL MOSTRANDO LA EVOLUCIÓN DE LAS SEÑALES

30 CU2 PROYECTO CU2 Descripción de un control de memoria RAM elemental para escritura-lectura con una máquina de estado y un registro contador y latch para el bus de direcciones. Sergio Noriega

31 data MEMORIA MEMORIA X 0000 PC16 MAR CU2 FPGA RST CLK BUS DIR MEM CONTROL BUS CONTROL BUS DATA MEM IN BUS DATA MEM OUT

32 CU2 Trabajos a realizar en este proyecto: 1) Leer el dato desde la RAM (posición de memoria X 0000 ). 2) Incrementar en 1 el contenido de contador PC16. 3) Leer el dato desde la RAM de la siguiente posición de memoria. 4) Incrementar en 1 el contenido de contador PC16. 5) Leer el dato desde la RAM. Sergio Noriega

33 Descripción en VHDL de un registro de 16 bits (MAR16) Sergio Noriega

34 MAR16 MAR FPGA clockmar GENERADOR DE ESTÍMULOS DESDE TEST BENCH escribirmar entradamar salidamar 16 16

35 MAR

36 MAR

37 MAR

38 MAR

39 CU2

40 CU2

41 CU2 CARGO PC16 CON X 0000 PROGRAMO NUEVO ESTADO DESACTIVO PC16 PROGRAMO NUEVO ESTADO

42 CU2 ESCRIBO REGISTRO MAR PROGRAMO COMO NUEVO ESTADO DESACTIVO REGISTRO MAR PROGRAMO COMO NUEVO ESTADO INCREMENTO PC16 PROGRAMO NUEVO ESTADO DESACTIVO REGISTRO PC16 PROGRAMO COMO NUEVO ESTADO

43 CU2 ESCRIBO REGISTRO MAR PROGRAMO COMO NUEVO ESTADO DESACTIVO REGISTRO MAR PROGRAMO COMO NUEVO ESTADO

44 CU2 TEST-BENCH DEL PROYECTO CU2

45 CU2 TEST-BENCH DEL PROYECTO CU2

46 CU2

47 CU2 MEMORIA RAM PREVIAMENTE INICIALIZADA CON DATOS

48 CU2

49 CU3 PROYECTO CU3 DISEÑO EN VHDL DE CONTROLADOR DE ESCRITURA Y LECTURA DE UNA MEMORIA RAM. Sergio Noriega

50 MEMORIA MEMORIA PC16 MAR X 0000 CU3 RST FPGA CLK MAR: MEMORY ADDRESS REGISTER BUS DIR MEM MDRI: MEMORY DATA-IN REGISTER RX: DATA REGISTER MDRO: MEMORY DATA-OUT REGISTER RX MDRO MDRI CONTROL BUS CONTROL BUS DATA MEM IN BUS DATA MEM OUT

51 Descripción en VHDL de un registro de 16 bits (MDRO) Sergio Noriega

52 MDRO FPGA clockmdro GENERADOR DE ESTÍMULOS DESDE TEST BENCH escribirmdro entradamdro salidamdro MDRO

53 MDRO

54 MDRO TEST-BENCH DE MDRO

55 MDRO

56 Descripción en VHDL de un registro de 16 bits (MDRI) Sergio Noriega

57 El mismo diseño que MDRO Sergio Noriega

58 MDRI FPGA clockmdri GENERADOR DE ESTÍMULOS DESDE TEST BENCH escribirmdri entradamdri salidamdri MDRI

59 TEST-BENCH DE MDRI Sergio Noriega

60 Descripción en VHDL de un registro-contador de 16 bits preseteable (RX) Sergio Noriega

61 RX RX FPGA clockrx opselecrx (1..0) GENERADOR DE ESTÍMULOS DESDE TEST BENCH entradarx salidarx resetrx

62 RX

63 RX TEST-BENCH DE RX

64 RX

65 RX Diagrama temporal de la prueba del registro de datos RX LATCH INC RESET SINCR. DEC LATCH

66 CU3

67 CU3

68 CU3

69 CU3 Carga PC con 0x0000 Habilita MAR

70 CU3 Escribe en MDRI

71 CU3 Carga Rx contenido de MDRI Incrementa contenido de RX

72 CU3 Carga Rx contenido de MDRI Modo escritura de RAM

73 CU3

74 CU3

75 CU3 1) Se lee la posición de memoria 0x000 que contiene dato = 0x0000 en MDRI. 2) Se escribe el RX con dicho valor. 3) Se incrementa el contenido de RX. 4) Se transfiere el contenido de RX a MDRO. 5) Se configura la RAM para escritura.