DISEŇO de SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS CON VHDL e IMPLEMENTADOS en FPGAs Laboratorio 4 Objetivos Interpretación de información especificada en hojas de datos o especificaciones de diseño Utilización de las instrucciones secuenciales, concurrentes y paquetes aprendidos en clase. Comprensión de la metodología de diseño jerárquico (top-to-down). Uso de archivo de restricción para asignar los pines E/S del FPGA vinculados a hardware del board DE2-115. Uso de sincronizadores. Escritura de restricción de tiempo, frecuencia de trabajo del sistema, en el archivo de restricción. Uso y escritura de test bench para verificar funcionalmente el correcto comportamiento de un sistema descrito en VHDL. Utilización de la herramienta MegaWizard para la generación de un divisor de frecuencia basado en PLL. Configuración del FPGA del board DE2-115 con el código VHDL correspondiente. Parte A Realizar la descripción en VHDL de un sincronizador de señales asincrónicas. Verificar su comportamiento con un test bench. El sincronizador debe ser controlado por flanco positivo de reloj, y con entrada de reset activa en bajo. Nota: este módulo sincronizador será usado para todas las entradas asincrónicas que use en los próximos laboratorios. Cristian Sisterna DSDA Lab 4 1
Parte B Realizar la descripción en VHDL de un circuito antirebote. Verificar su comportamiento con un test bench. El circuito debe ser controlado por flanco positivo de reloj, y con entrada de reset activa en bajo. Nota: este módulo sincronizador será usado para todas las entradas asincrónicas que use en los próximos laboratorios Parte C Realizar la descripción en VHDL de un contador tipo LFSR de 4, 8, 16 o 32 bits. Use dos bits de entrada como selección de la cantidad de bits. Nota: como ayuda, use la nota técnica disponible en Material de la Catedra. Genere la vista RTL View y trate de comprender el circuito resultante. Verifique su funcionalidad con un test bench ejecutando su simulación funcional y simulación post-place & route (gate level simulation). Encuentre y analice el camino crítico del circuito LFSR de 12 bits. Agregue al informe el esquemático, y tabla de retardos respectivos. Parte D El Kit de desarrollo DE2-115 tiene un oscilador de 50MHz como entrada de reloj al FPGA. Realice un divisor de frecuencias para obtener las siguientes frecuencias: 0.1Hz, 0.5Hz, 1Hz, 2Hz y 5Hz. Describa en VHDL el divisor de frecuencia, usando constantes para los diferentes valores máximos del divisor. Como selector de frecuencia de salida use las llaves (switches) disponibles en el board. Sincronice las entradas asincrónicas con la frecuencia del reloj de entrada al FPGA. Utilice el módulo de conversor BCD-7Segmentos del laboratorio anterior para mostrar en los display 7 segmentos la frecuencia seleccionada por la Cristian Sisterna DSDA Lab 4 2
llave respectiva (no hace falta usar el punto; por ejemplo para 0.5 muestre 05). Para cada combinación de las llaves (switches), la frecuencia seleccionada deberá excitar el LED_0 del board Compruebe el funcionamiento funcional del código VHDL con un Test Bench. Analice que pasa con el tiempo real y el tiempo de simulación cuando simule su circuito. Escriba el correspondiente archivo de restricciones (constraints file). Recuerde detallar en el constraint file la frecuencia de trabajo de su sistema. Compruebe la correcta asignación de la señales de entrada/salida con los respectivos I/O pads del FPGA revisando el PAD report. Genere el bitstream y configure el FPGA. Compruebe el correcto funcionamiento del sistema al cambiar las llaves seleccionadoras de frecuencia como así también la correcta indicación del valor de frecuencia en los display 7 segmentos respectivos. Parte E Realizar un mismo divisor de frecuencia similar al de la Parte D, pero en este caso el reloj de 50MHz será la entrada de reloj de un PLL. Utilice la herramienta MegaWizard para configurar el PLL de modo de obtener a la salida la frecuencia mínima posible. Describa en VHDL un divisor de frecuencia para dividir la frecuencia de salida del PLL, de modo de tener a las salidas del divisor de frecuencia, las mismas frecuencias que en la Parte B. Agregue como salida la señal de lock del PLL, la que a su vez deberá excitar un led que indicará cuando el PLL está LOCK. Como selector de frecuencia de salida use las llaves (switches) disponibles en el board. Sincronice las entradas asincrónicas con la frecuencia del reloj de entrada al FPGA. Cristian Sisterna DSDA Lab 4 3
Utilice el módulo de conversor BCD-7Segmentos del laboratorio anterior para mostrar en los display 7 segmentos la frecuencia seleccionada por la llave respectiva (no hace falta usar el punto; para 0.5 muestre 05). Para cada combinación de las llaves (switches), la frecuencia seleccionada deberá excitar el LED_0 del board Compruebe el funcionamiento funcional del código VHDL con un Test Bench. Escriba el correspondiente archivo de restricciones (constraints file). Recuerde detallar en el constraint file la frecuencia de trabajo de su sistema. Compruebe la correcta asignación de la señales de entrada/salida con los respectivos I/O pads del FPGA revisando el PAD report. Genere el bitstream y configure el FPGA. Compruebe el correcto funcionamiento del sistema al cambiar las llaves seleccionadoras de frecuencia como asi también la correcta indicación del valor de frecuencia en los display 7 segmentos respectivos. Parte F Ahora está en condiciones de completar la Parte B del Laboratorio 3. Reemplace las cajas negras de cada uno de los contadores por: Un contador LFSR (descripto en la Parte A del presente laboratorio) Un contador BCD Un contador DOWN Un contador UP Describa el modulo Top Level con todos los componentes necesarios. Como señal de reloj para los contadores utilice la salida de 1Hz (un segundo) del divisor de frecuencias realizado en la Parte D o E de este laboratorio Utilice una señal de reset asincrónica. Sincronice las entradas asincrónicas con la frecuencia del reloj de entrada al FPGA. Cristian Sisterna DSDA Lab 4 4
Dibuje un detallado diagrama en bloques del diseño que implemente. Compruebe el correcto funcionamiento del sistema descripto mediante la adecuada simulación del mismo. Investigue el timing report, y descubra cual es el camino más crítico de este diseño. Realice un dibujo esquemático del mismo, el que puede ser obtenido usando la herramienta correspondiente. Escriba un archivo de restricción (contraint file) donde especifique la frecuencia de funcionamiento de su diseño. Asigne los I/O pads respectivos. Compruebe la correcta asignación de la señales de entrada/salida con los respectivos I/O pads del FPGA revisando el reporte de entradas y salidas (Inputs and Outputs reports). Genere el modelo de simulación post-place and route (proceso Generate Post-Place & Route Simulation Model). Abrir el archivo *.vho en el directorio del proyecto y ver su estructura. Opcional: abrir el archivo *.sdf en el directorio del proyecto y comente con respecto a los tres valores que cada componente tiene en su instancia. Una vez comprobado el correcto funcionamiento en simulación, genere el archivo de configuración del FPGA. Configurar el Cyclone IV en el laboratorio. Compruebe al correcto funcionamiento del sistema implementado en el kit DE2-115. Parte G Modulación por ancho de pulsos (PWM) La modulación por ancho de pulsos consiste en generar una señal digital periódica con período (T) constante, pero con distintos tiempos para el estado alto (TA) y estado en bajo (TB). Cristian Sisterna DSDA Lab 4 5
v(t) T A T B T t A la relación TA/T se le conoce como Ciclo de Trabajo (Duty Cycle), y es específicamente esto lo que se desea modificar. Puede demostrarse que el valor medio de la señal periódica es directamente proporcional al ciclo de trabajo, por lo que la aplicación más utilizada de PWM es emular un voltaje analógico a través de una salida digital, siendo útil en algunos casos como parte de un conversor D/A. Utilizando un contador de 8 bits describa en VHDL un módulo que sea capaz de generar una señal de PWM que varíe su tiempo en alto (TA) desde 0 a 255 ciclos de reloj, es decir, un ciclo de trabajo desde 0% a 100%. 8 DUTY_CYCLE PWM LOAD PWM_OUT RESET CLK Duty_Cycle es un bus de datos de 8 bits donde se coloca el ciclo de trabajo que se desea generar. Cristian Sisterna DSDA Lab 4 6
Load es la entrada que, al colocar un estado alto, causa que el módulo tome (registre) el valor de Duty_Cycle y comience a generar la señal de PWM. Nótese que la señal de salida no debe cambiar si Duty_Cycle cambia y Load está en estado lógico bajo. PWM_OUT es la salida por la cual se genera la señal PWM. Verifique el comportamiento del módulo mediante una simulación funcional del mismo. Configure el FPGA con el respectivo bitstream. Use los dip-switches como entradas para el duty_cycle, y para la salida use un LED para visualizar pwm_out, pero también use un pin de un conector para poder ver la salida en un osciloscopio o en un analizador lógico. Informe Presentar un informe completo del diseño siguiendo las reglas especificadas. Los códigos escritos para los distintos componentes deben ser agregados al informe como apéndices. Presentar un ítem describiendo los problemas encontrados y sus respectivas soluciones. Como así también los warning generados por el Quartus y sus soluciones. Cristian Sisterna DSDA Lab 4 7
Apéndice A Entradas del FPGA asociadas a las señales de reloj en el board DE2-115. Apéndice B Pines del FPGA a los que entran los switches de la placa. Cristian Sisterna DSDA Lab 4 8
Apéndice C Pines del FPGA que controlan los LEDs verdes y LEDs rojos. Apéndice D Pines del FPGA que controlan el primer 7 segmentos. Cristian Sisterna DSDA Lab 4 9
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