UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE INGENIERÍA PRÁCTICAS PARA LA MATERIA DE DISEÑO DIGITAL VLSI

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE INGENIERÍA PRÁCTICAS PARA LA MATERIA DE DISEÑO DIGITAL VLSI M.I. Norma Elva Chávez Rodríguez M.I. Jorge Valeriano Assem DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 1

PREFACIO El objetivo de estas prácticas es que el alumno aplique, analice, modele e implemente sistemas digitales de muy alta escala de integración empleando tecnologías modernas basadas en arquitecturas de dispositivos lógicos programables (FPGAs y CPLDs), utilizando lenguajes de descripción y modelado de hardware. Un lenguaje de descripción de hardware o lenguaje HDL es un lenguaje computacional utilizado para describir las estructuras, el diseño y la operación de circuitos digitales, dando una descripción precisa y formal de un circuito electrónico, permitiendo el análisis automatizado, simulación y prueba simulada de un circuito electrónico. También permite la compilación de un programa en una especificación de nivel inferior de componentes electrónicos físicos, tales como el conjunto de máscaras que se utiliza para crear un circuito integrado, Se parece mucho al lenguaje de programación C, debido a que también hace una descripción textual que consiste en expresiones, instrucciones y estructuras de control. Una diferencia importante entre la mayoría de los lenguajes de programación y los lenguajes HDL es que en los lenguajes HDL se incluyen explícitamente la noción del tiempo. Los HDL s disponibles actualmente permiten diferentes formas de especificar un diseño; a estas formas se les conoce como estilos de escritura, los cuales van desde especificaciones puramente funcionales hasta especificaciones estructurales. La especificación estructural (Structural specification of hardware) consiste en especificar la totalidad de los elementos que componen el sistema digital y las interconexiones entre ellos. La especificación funcional, también denominada de comportamiento (Behavioural modeling), consiste, como su nombre indica, en describir el comportamiento del sistema digital en lugar de detallar los elementos que lo conforman y su interconexión. DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 2

El comportamiento de los sistemas digitales complejos se puede describir funcionalmente de dos formas: Mediante la especificación de las transferencias de información entre registros que dio lugar a los lenguajes RTL, que en la actualidad forman parte de un conjunto de lenguajes HDL bajo la denominación de descripción de flujo de datos (Data flow description) porque especifican las transferencias de información que se realizan, de forma controlada a través de buses entre los distintos registros que forman el sistema digital y mediante dicha especificación se establecen los elementos del sistema físico y las interconexiones entre ellos. Esta forma de describir el funcionamiento tiene por lo tanto una estrecha relación con el sistema físico. Mediante un algoritmo que recibe la denominación de descripción de comportamiento del sistema físico (Behavioral description of hardware) está conformado por procesos que se ejecutan secuencial o simultáneamente. Este modelo de descripción se caracteriza por no establecer de forma unívoca el sistema físico. Cualquier sistema físico que tenga el comportamiento descrito mediante determinado algoritmo puede ser válido para implementar el sistema digital. DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 3

PRÁCTICA 1 PRÁCTICA 2 PRÁCTICA 3 PRÁCTICA 4 PRÁCTICA 5 PRÁCTICA 6 PRÁCTICA 7 PRÁCTICA 8 PRÁCTICA 9 Sistema de seguridad para una casa mediante un lenguaje HDL Control de un robot movil mediante un lenguaje HDL Sensado y control de semáforos en avenida mediante un lenguaje HDL Diseño de un registro de corrimiento mediante un lenguaje HDL Diseño de un reloj digital mediante un lenguaje HDL Diseño del control de un tren eléctrico mediante un lenguaje HDL Control de entrada a un estacionamiento mediante un lenguaje HDL Reconocimiento de secuencia binaria mediante un lenguaje HDL Diseño de un secuenciador básico mediante un lenguaje HDL REFERENCIAS DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 4

PRÁCTICA 1 Sistema de seguridad para una casa mediante un lenguaje HDL. OBJETIVO: El alumno analizará y aplicará las herramientas fundamentales de alto nivel, para el diseño de sistemas digitales combinacionales VLSI. ESPECIFICACIONES: En una casa se tendrán 7 sensores de presencia en un sistema de seguridad, los cuales al detectar un intruso, enviaran la señal al sistema de seguridad el cual activará una alarma auditiva y en un display se verá el número del lugar por donde el intruso entró. Si se detectan dos intrusos al mismo tiempo en el display se verá el lugar de mayor prioridad para ser vigilado. (El sensor con el número más grande). DIAGRAMA DE BLOQUES: DIAGRAMA DEL CIRCUITO : DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 5

PRÁCTICA 2 Control de un robot movil mediante un lenguaje HDL OBJETIVO: El alumno analizará y aplicará las herramientas fundamentales de alto nivel, para el control de motores de DC en el diseño de sistemas digitales combinacionales VLSI. ESPECIFICACIONES: Diseñar y construir un robot movil seguidor de una línea blanca en una pista de fondo negro, el cual cuente con 3 sensores los cuales envíen al control información sobre si ven o no la línea blanca. El robot también contara con dos motores, uno para cada rueda del robot. DIAGRAMA DE BLOQUES: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 6

TABLA DE VERDAD: DIAGRAMA DEL CIRCUITO : DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 7

PRÁCTICA 3 Sensado y control de semáforos en avenida mediante un lenguaje HDL OBJETIVO: El alumno analizará y aplicará herramientas fundamentales de alto nivel, para el diseño de sistemas digitales combinacionales VLSI. ESPECIFICACIONES: En el cruce de dos avenidas se requiere del control de sus semáforos. Cada semáforo cuenta con 4 luces (roja, ámbar, verde, flecha), también se tienen sensores de presencia de forma tal que si en alguna dirección no se cuenta con flujo de automóviles, los semáforos en sus dos sentidos tendrán la luz roja prendida, dando oportunidad que en la otra dirección en ambos sentidos se permita el flujo de automóviles. La luz roja tiene una duración de 60 segundos, la luz ámbar de 15 segundos, la luz verde de 30 segundos y la flecha de 15 segundos. DIAGRAMA DE BLOQUES: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 8

CARTAS ASM REQUERIDAS: Se tendrán 4 cartas ASM, la primera para cuando no exista flujo de autos en ninguna dirección, la segunda cuando en la dirección norte-sur exista uno o más automóviles queriendo pasar la avenida y en la dirección este-oeste no exista ningún auto queriendo pasarla, la tercera cuando en la dirección este-oeste exista uno o más automóviles queriendo pasar la avenida y en la dirección norte-sur no exista ningún auto queriendo pasar y la cuarta para cuando existan automóviles en ambas direcciones. carta ASM1 carta ASM4 carta ASM3 carta ASM2 DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 9

DIAGRAMA DEL CIRCUITO : DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 10

PRÁCTICA 4 Diseño de un registro de corrimiento mediante un lenguaje HDL OBJETIVO: El alumno aprenderá a diseñar registros de corrimiento utilizando lenguaje algún lenguaje HDL, diseñando un sistema digital VLSI el cual desplegue en 4 displays de 7 segmentos algún mensaje y este se recorra de derecha a izquierda. ESPECIFICACIONES: Diseñar un sistema digital VLSI el cual despliegue en 4 displays de 7 segmentos cualquier frase y esta se recorra de derecha a izquierda, todo el tiempo que se desee. DIAGRAMA DE BLOQUES: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 11

PRÁCTICA 5 Diseño de un reloj digital mediante un lenguaje HDL OBJETIVO: El alumno aprenderá el diseño e implementación de máquinas de estado finito. ESPECIFICACIONES: Diseñar un reloj digital en cual muestre en 4 displays las horas y minutos. DIAGRAMA DE BLOQUES: DIAGRAMA DEL CIRCUITO : DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 13

PRÁCTICA 6 Diseño del control de un tren eléctrico mediante un lenguaje HDL OBJETIVO: Aplicar los conceptos de Cartas ASM para la solución de problemas y desarrollar un circuito capaz de poder realizar la simulación del funcionamiento de un tren. ESPECIFICACIONES: Diseñar un sistema digital que moverá un tren de derecha a izquierda y viceversa, sobre una línea, deteniéndose en cada estación por 2 minutos. En cada estación hay sensores que detectan cuando un tren entra a la estación. Existe un botón de emergencia en los vagones que hará que el tren se detenga por un minuto de más en la estación, si así se requiere. DIAGRAMA DE BLOQUES: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 14

CARTA ASM: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 15

PRÁCTICA 7 Control de entrada a un estacionamiento mediante un lenguaje HDL. OBJETIVO: El alumno aprenderá a diseñar sistemas secuenciales VLSI controlando motores y manipulando sensores de presencia. ESPECIFICACIONES: Se diseñará un estacionamiento de automóviles el cual contará con sensores de entrada y es de salida, para determinar el número de automóviles que entran y salen del mismo de tal forma que se muestre mediante un display de 7 segmentos, a la entrada del estacionamiento el número de lugares disponibles. El número máximo de cajones de estacionamiento son 9. Además si se detecta en la entrada del estacionamiento la presencia de un automóvil, y hay disponibilidad de cajones, se requiere levantar una pluma y bajarla, en cuanto el automóvil pase. Si se detecta cualquier carro queriendo salir se alza y baja la pluma descontando un lugar en los cajones ocupados. DIAGRAMA DE BLOQUES: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 17

TABLA DE TRANSICIÓN DE ESTADOS DEL CONTADOR DE LUGARES DISPONIBLES : Estado presente S E S S Lugares disponibles 0000 00 1001 0000 01 1001 0000 10 1000 0000 11 1001 0001 00 1000 0001 01 1001 0001 10 0111 0001 11 1000 0010 00 0111 0010 01 1000 0010 10 0110 0010 11 0111 0011 00 0110 0011 01 0100 0011 10 0010 0011 11 0110 0100 00 0101 0100 01 0101 0100 10 0011 0100 11 0101 0101 00 0100 0101 01 0110 0101 10 0100 0101 11 0100 0110 00 0011 0110 01 0111 0110 10 0101 0110 11 0011 0111 00 0010 0111 01 1000 0111 10 0110 0111 11 0010 1000 00 0001 1000 01 1001 1000 10 0111 1000 11 0001 1001 00 0000 1001 01 1001 1001 10 1000 1001 11 0000 DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 18

PRÁCTICA 8 Reconocimiento de secuencia binaria mediante un lenguaje HDL OBJETIVO: El alumno aprenderá el manejo del flujo de datos. ESPECIFICACIONES: Diseñar una chapa digital que reconozca la siguiente secuencia binaria. 0 1 0 1 1 1 0 1 1 Cuando se tecleé una secuencia igual, la señal de salida de reconocimiento deberá activarse. Tenga en cuenta que el primer bit de la secuencia es el que se localiza a la derecha, mientras que el último bit de la secuencia es el que se localiza a la izquierda. DIAGRAMA DE BLOQUES: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 20

CARTA ASM: DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES VLSI 21