«…Труд избавляет человека от трех великих зол: скуки, порока, нужды…»

ПЦУСБ/Лабораторная работа 4 — различия между версиями

Материал из Wiki
Перейти к: навигация, поиск
м (→‎Описание интерфейса блока верхнего уровня (TOP-модуль))
м (→‎Порядок выполнения работы)
 
(не показаны 10 промежуточных версий 1 участника)
Строка 3: Строка 3:
 
== Цель работы ==
 
== Цель работы ==
  
−
Получить базовые навыки работы в программе ISE (создание проекта, подключение файла конфигурации, синтез схемы, сохранение синтезированной схемы в VHDL формате, программирование ПЛИС).
+
Получить базовые навыки работы в программе ISE (создание проекта, подключение файла конфигурации, синтез схемы, сохранение синтезированной схемы в VHDL формате, программирование ПЛИС) и освоить моделирование VHDL-нетлиста схемы с учетом задержек после синтеза и размещения в ПЛИС.
−
 
+
  
 
== Задание ==
 
== Задание ==
  
−
Реализовать заданный VHDL-моделью цифровой блок в ПЛИС, используя отладочную плату [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,799&Prod=S3BOARD Spartan-3 Starter Kit], общий вид которой представлен на рисунке 1.
+
Реализовать заданный VHDL-моделью цифровой блок в ПЛИС, используя отладочную плату [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,799&Prod=S3BOARD Spartan-3 Starter Kit], общий вид которой представлен на рисунке 1 и провести моделирование исходного VHDL-описания и синтезированной схемы с учетом задержек, подключаемых из SDF-файла.
−
 
+
  
 
== Порядок выполнения работы ==
 
== Порядок выполнения работы ==
  
 +
# Подготовка к работе
 +
#* Программы необходимые в работе:
 +
#** файловый менеджер TotalCommander;
 +
#** текстовый редактор Emacs;
 +
#** ISE;
 +
#** графический редактор для обработки скриншотов;
 +
#** ModelSim.
 +
#* Создать в файловой системе каталог для проекта (например, lab04_var01), в котором создать следующие подкатологи: vhd, work, ise, lib.
 +
#** В папку vhd скопировать VHDL-модели заданного компонента, компонента верхнего уровня (top.vhd), файл конфигурации (top.ucf).
 +
#** В папку lib распаковать архив библиотеки ([http://simhard.com/ftp/files/pcusb/simprim.zip simprim.zip]) логических элементов ПЛИС, необходимый для моделирования синтезированной схемы в программе ModelSim.
 +
#** В папке work будут созданы библиотеки ModelSim.
 +
#** В папке ise будет размещаться проект программы ISE.
 +
# Используя программу Emacs, вставить заданный компонент в модуль верхнего уровня, используя операторы ''component'' и ''port map''.
 +
# Создать новый проект в программе ISE (иконка для запуска программы на рабочем столе).
 +
#* Добавить в проект VHDL-модули (VHDL-файлы):
 +
#** модифицированный модуль верхнего уровня (подключить через port map компонент из задания)
 +
#** модель блока из заданного варианта задания.
 +
#* Добавить в проект описание конфигурации выводов (UCF-файл)
 +
# Провести все этапы синтеза до генерации прошивки ПЛИС включительно
 +
#* <s>Задать временное ограничение: частоту синхросигнала</s>
 +
#* запрограммировать полученную прошивку в ПЛИС
 +
# Просмотреть
 +
#* синтезированную схему (RTL описание и реализацию в базисе ПЛИС) ''(скриншоты вставить в отчет)''
 +
#* отчет о синтезе схемы ''(вставить в отчет)''
 +
# Сохранить синтезированное описание схемы в формате VHDL
 +
#* Сгенерировать VHDL-нетлист синтезированной схемы и SDF-файл задержек
 +
# Провести моделирование исходной VHDL-модели и синтезированной схемы с учетом задержек распространения сигнала, полученных после размещения схемы в ПЛИС
 +
#* Написать тестбенч, включающий синтезированную схему и исходную VHDL-модель
 +
#* Провести моделирование тесбенча с подключением SDF-файла для синтезированной схемы (библиотека [http://simhard.com/ftp/files/pcusb/simprim.zip simprim])
 +
# Подготовить отчет, включающий:
 +
#* Описание задания
 +
#* Исходные коды заданного компонента, модифицированного модуля верхнего уровня, тесбенч.
 +
#* Скриншот синетезированной схемы (RTL и в базисе ПЛИС)
 +
#* Отчет о синтезе
 +
#* Временные диаграммы моделирования тесбенча
  
 
== Описание доступных ресурсов ПЛИС ==
 
== Описание доступных ресурсов ПЛИС ==
−
 
−
=== Описание интерфейса блока верхнего уровня (TOP-модуль) ===
 
  
 
[[Файл:S3BOARD-top-400.gif|frame|right|Рисунок 1 — [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,799&Prod=S3BOARD Spartan-3 Starter Kit] ]]
 
[[Файл:S3BOARD-top-400.gif|frame|right|Рисунок 1 — [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,799&Prod=S3BOARD Spartan-3 Starter Kit] ]]
Строка 22: Строка 53:
 
[[Файл:S3BOARD-block-400.gif|frame|right|Рисунок 2 — [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,799&Prod=S3BOARD Spartan-3 Starter Kit] ]]
 
[[Файл:S3BOARD-block-400.gif|frame|right|Рисунок 2 — [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,799&Prod=S3BOARD Spartan-3 Starter Kit] ]]
  
 +
На рисунке 1 представлен внешний вид отладочной платы [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,799&Prod=S3BOARD Spartan-3 Starter Kit], включающей ПЛИС фирмы Xilinx Spartan-3 ([http://www.chipfind.ru/datasheet/pdf/xilinx/xc3s1xxx.pdf документация по микросхеме XC3S1000]). В таблице 1 представлены основные параметры, характеризующие ПЛИС XC3S1000. На рисунке 2 показаны основные компоненты и интерфейсы размещённые на отладочной плате:
 +
* генератор синхросигнала на 50 МГц;
 +
* вход внешней синхронизации;
 +
* внешняя память инициализации ПЛИС (Flash PROM XCF04S)
 +
* внешнее ОЗУ (512К × 16 бит)
 +
* три 40-выводных разъёма, на которые выведены пользовательские выводы ПЛИС
 +
* полоска из 8 светодиодов
 +
* четыре семисегментных индикатора
 +
* 4 кнопки
 +
* 8 переключателей
 +
* порты
 +
** PS/2
 +
** VGA
 +
** RS232 (COM-порт)
 +
 +
 +
{| align=center cellspacing="0" cellpadding="5" border="1"
 +
|+ Таблица 1 – Параметры ПЛИС XC3S1000
 +
!rowspan=2| Device
 +
!rowspan=2| System  <br /> Gates
 +
!rowspan=2| Logic <br />  Cells
 +
!colspan=3| CLB Array (One CLB = Four Slices)
 +
!rowspan=2| Distributed <br /> RAM (bits1)
 +
!rowspan=2| Block RAM <br /> (bits 1)
 +
!rowspan=2| Dedicated <br /> Multipliers
 +
!rowspan=2| DCMs
 +
!rowspan=2| Maximum <br /> User I/O
 +
!rowspan=2| Maximum <br />Differential <br /> I/O Pairs
 +
|-
 +
! Rows || Columns || Total CLBs
 +
|-
 +
! XC3S1000
 +
| 1M
 +
| 17,280
 +
| 48
 +
| 40
 +
| 1,920
 +
| 120K
 +
| 432K
 +
| 24
 +
| 4
 +
| 391
 +
| 175
 +
|}
 +
 +
 +
=== Описание интерфейса блока верхнего уровня (TOP-модуль) ===
 +
 +
 +
{|
 +
| <div style="border: 2px solid #AEA; padding: 0.4em; border-bottom: none; border-right: none; background: HoneyDew">
 +
'''Листинг 1''' — VHDL-описание компонента верхнего уровня ([{{SERVER}}/ftp/files/pcusb/lab04/top.vhd top.vhd])
 +
----
 
<big><source lang="vhdl">
 
<big><source lang="vhdl">
 
library ieee;
 
library ieee;
Строка 46: Строка 130:
 
     -- выводы подключения внешнего ОЗУ
 
     -- выводы подключения внешнего ОЗУ
 
     ADDR : out  std_logic_vector(17 downto 0);  -- L3 K5 K3 J3 J4 H4 H3 G5 E4 E3 F4 F3 G4 L4 M3 M4 N3 L5
 
     ADDR : out  std_logic_vector(17 downto 0);  -- L3 K5 K3 J3 J4 H4 H3 G5 E4 E3 F4 F3 G4 L4 M3 M4 N3 L5
−
     DATA : inout std_logic_vector(31 downto 0);  -- N1 M1 K2 C3 F5 G1 E2 D2 D1 E1 G2 J1 K1 M2 N2 P2 R1 P1 L2 J2 H1 F2 P8 D3 B1 C1 C2 R5 T5 R6 T8 N7
+
     DATA : inout std_logic_vector(31 downto 0);  -- N1 M1 K2 C3 F5 G1 E2 D2 D1 E1 G2 J1 K1 M2 N2 P2 R1 P1
 +
                                                -- L2 J2 H1 F2 P8 D3 B1 C1 C2 R5 T5 R6 T8 N7
 
     CE  : out  std_logic_vector(1 downto 0);  -- N5 P7
 
     CE  : out  std_logic_vector(1 downto 0);  -- N5 P7
 
     OE  : out  std_logic;            -- K4
 
     OE  : out  std_logic;            -- K4
Строка 76: Строка 161:
 
</source>
 
</source>
 
</big>
 
</big>
 +
</div>
 +
|}
  
  
 
{| width=500px
 
{| width=500px
−
|{{Hider|Листинг файла конфигурации выводов ПЛИС (top.ucf)}}
+
|{{Hider|Листинг файла конфигурации выводов ПЛИС (([{{SERVER}}/ftp/files/pcusb/lab04/top.ucf top.ucf]))}}
 
{{Файл|top.ucf|<big><source lang="text">
 
{{Файл|top.ucf|<big><source lang="text">
 
NET "CLK" LOC = "T9" | IOSTANDARD = LVCMOS33 ;
 
NET "CLK" LOC = "T9" | IOSTANDARD = LVCMOS33 ;
Строка 202: Строка 289:
 
== Варианты заданий ==
 
== Варианты заданий ==
  
−
=== Преобразователь из кода Грея в двоичный код 8-разрядного числа ===
+
=== 1. Преобразователь из кода Грея в двоичный код 8-разрядного числа ===
  
−
* входы подключить к переключателям
+
* входы подключить к переключателям (SW)
−
* выходы подключить к линейке светодиодов
+
* выходы подключить к линейке светодиодов (LED)
  
 
{| width=400px
 
{| width=400px
−
|{{Hider|Листинг VHDL-модели}}{{Файл|gray_to_binary.vhd|<big><source lang="vhdl">
+
|{{Hider|Листинг VHDL-модели ([{{SERVER}}/ftp/files/pcusb/lab04/gray_to_binary.vhd gray_to_binary.vhd])}}{{Файл|gray_to_binary.vhd|<big><source lang="vhdl">
 
library ieee;
 
library ieee;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
Строка 235: Строка 322:
 
|}
 
|}
  
−
=== Преобразователь из двоичного кода в код Грея 8-разрядного числа===
 
  
−
* входы подключить к переключателям
+
=== 2. Преобразователь из двоичного кода в код Грея 8-разрядного числа===
−
* выходы подключить к линейке светодиодов
+
 
 +
* входы подключить к переключателям (SW)
 +
* выходы подключить к линейке светодиодов (LED)
  
 
{| width=400px
 
{| width=400px
−
|{{Hider|Листинг VHDL-модели}}{{Файл|binary_to_gray.vhd|<big><source lang="vhdl">
+
|{{Hider|Листинг VHDL-модели ([{{SERVER}}/ftp/files/pcusb/lab04/binary_to_gray.vhd binary_to_gray.vhd])}}{{Файл|binary_to_gray.vhd|<big><source lang="vhdl">
 
library ieee;
 
library ieee;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
Строка 272: Строка 360:
  
  
−
=== Счетчик числа единиц и определение четности N-разрядного числа===
 
 
<!--  
 
<!--  
 +
=== 3. Счетчик числа единиц и определение четности N-разрядного числа===
 +
 
{| width=400px
 
{| width=400px
 
|{{Hider|Листинг VHDL-модели}}{{Файл|Имя файла|<big><source lang="vhdl">
 
|{{Hider|Листинг VHDL-модели}}{{Файл|Имя файла|<big><source lang="vhdl">
Строка 281: Строка 370:
 
|}-->
 
|}-->
  
 +
=== 3. Умножитель (4-разрядное число × 4-разрядное число)===
  
−
=== Умножитель (4-разрядное число × 4-разрядное число)===
+
* входы подключить к переключателям (SW)
−
 
+
* выходы подключить к линейке светодиодов (LED)
−
* входы подключить к переключателям
+
−
* выходы подключить к линейке светодиодов
+
  
 
{| width=400px
 
{| width=400px
−
|{{Hider|Листинг VHDL-модели}}{{Файл|Имя файла|<big><source lang="vhdl">
+
|{{Hider|Листинг VHDL-модели ([{{SERVER}}/ftp/files/pcusb/lab04/mult_4_4.vhd mult_4_4.vhd])}}{{Файл|Имя файла|<big><source lang="vhdl">
 
library ieee;
 
library ieee;
 
use ieee.numeric_std.all;
 
use ieee.numeric_std.all;
Строка 314: Строка 402:
  
  
−
=== Сумматор (4-разрядное число + 4-разрядное число)===
+
=== 4. Сумматор (4-разрядное число + 4-разрядное число)===
  
−
* входы подключить к переключателям
+
* входы подключить к переключателям (SW)
−
* выходы подключить к линейке светодиодов
+
* выходы подключить к линейке светодиодов (LED)
  
 
{| width=400px
 
{| width=400px
−
|{{Hider|Листинг VHDL-модели}}{{Файл|Имя файла|<big><source lang="vhdl">
+
|{{Hider|Листинг VHDL-модели ([{{SERVER}}/ftp/files/pcusb/lab04/sum_4_4.vhd sum_4_4.vhd])}}{{Файл|Имя файла|<big><source lang="vhdl">
 
library ieee;
 
library ieee;
 
use ieee.numeric_std.all;
 
use ieee.numeric_std.all;
Строка 346: Строка 434:
  
  
−
=== Дешифратор из 3 в 8 ===
+
=== 5. Дешифратор из 3 в 8 ===
  
−
* входы подключить к кнопкам
+
* входы подключить к кнопкам (BTN)
−
* выходы подключить к линейке светодиодов
+
* выходы подключить к линейке светодиодов (LED)
  
 
{| width=400px
 
{| width=400px
−
|{{Hider|Листинг VHDL-модели}}{{Файл|decoder_3_in_8.vhd|<big><source lang="vhdl">
+
|{{Hider|Листинг VHDL-модели ([{{SERVER}}/ftp/files/pcusb/lab04/decoder_3_in_8.vhd decoder_3_in_8.vhd])}}{{Файл|decoder_3_in_8.vhd|<big><source lang="vhdl">
 
library ieee;
 
library ieee;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
 
use ieee.std_logic_1164.all;

Текущая версия на 10:44, 6 декабря 2013

Лекции ПЦУСБ
Лекции
Практические
Тесты
Лабораторные
Доп. материалы

Содержание

Цель работы

Получить базовые навыки работы в программе ISE (создание проекта, подключение файла конфигурации, синтез схемы, сохранение синтезированной схемы в VHDL формате, программирование ПЛИС) и освоить моделирование VHDL-нетлиста схемы с учетом задержек после синтеза и размещения в ПЛИС.

Задание

Реализовать заданный VHDL-моделью цифровой блок в ПЛИС, используя отладочную плату Spartan-3 Starter Kit, общий вид которой представлен на рисунке 1 и провести моделирование исходного VHDL-описания и синтезированной схемы с учетом задержек, подключаемых из SDF-файла.

Порядок выполнения работы

  1. Подготовка к работе
    • Программы необходимые в работе:
      • файловый менеджер TotalCommander;
      • текстовый редактор Emacs;
      • ISE;
      • графический редактор для обработки скриншотов;
      • ModelSim.
    • Создать в файловой системе каталог для проекта (например, lab04_var01), в котором создать следующие подкатологи: vhd, work, ise, lib.
      • В папку vhd скопировать VHDL-модели заданного компонента, компонента верхнего уровня (top.vhd), файл конфигурации (top.ucf).
      • В папку lib распаковать архив библиотеки (simprim.zip) логических элементов ПЛИС, необходимый для моделирования синтезированной схемы в программе ModelSim.
      • В папке work будут созданы библиотеки ModelSim.
      • В папке ise будет размещаться проект программы ISE.
  2. Используя программу Emacs, вставить заданный компонент в модуль верхнего уровня, используя операторы component и port map.
  3. Создать новый проект в программе ISE (иконка для запуска программы на рабочем столе).
    • Добавить в проект VHDL-модули (VHDL-файлы):
      • модифицированный модуль верхнего уровня (подключить через port map компонент из задания)
      • модель блока из заданного варианта задания.
    • Добавить в проект описание конфигурации выводов (UCF-файл)
  4. Провести все этапы синтеза до генерации прошивки ПЛИС включительно
    • Задать временное ограничение: частоту синхросигнала
    • запрограммировать полученную прошивку в ПЛИС
  5. Просмотреть
    • синтезированную схему (RTL описание и реализацию в базисе ПЛИС) (скриншоты вставить в отчет)
    • отчет о синтезе схемы (вставить в отчет)
  6. Сохранить синтезированное описание схемы в формате VHDL
    • Сгенерировать VHDL-нетлист синтезированной схемы и SDF-файл задержек
  7. Провести моделирование исходной VHDL-модели и синтезированной схемы с учетом задержек распространения сигнала, полученных после размещения схемы в ПЛИС
    • Написать тестбенч, включающий синтезированную схему и исходную VHDL-модель
    • Провести моделирование тесбенча с подключением SDF-файла для синтезированной схемы (библиотека simprim)
  8. Подготовить отчет, включающий:
    • Описание задания
    • Исходные коды заданного компонента, модифицированного модуля верхнего уровня, тесбенч.
    • Скриншот синетезированной схемы (RTL и в базисе ПЛИС)
    • Отчет о синтезе
    • Временные диаграммы моделирования тесбенча

Описание доступных ресурсов ПЛИС

Рисунок 1 — Spartan-3 Starter Kit
Рисунок 2 — Spartan-3 Starter Kit

На рисунке 1 представлен внешний вид отладочной платы Spartan-3 Starter Kit, включающей ПЛИС фирмы Xilinx Spartan-3 (документация по микросхеме XC3S1000). В таблице 1 представлены основные параметры, характеризующие ПЛИС XC3S1000. На рисунке 2 показаны основные компоненты и интерфейсы размещённые на отладочной плате:

  • генератор синхросигнала на 50 МГц;
  • вход внешней синхронизации;
  • внешняя память инициализации ПЛИС (Flash PROM XCF04S)
  • внешнее ОЗУ (512К × 16 бит)
  • три 40-выводных разъёма, на которые выведены пользовательские выводы ПЛИС
  • полоска из 8 светодиодов
  • четыре семисегментных индикатора
  • 4 кнопки
  • 8 переключателей
  • порты
    • PS/2
    • VGA
    • RS232 (COM-порт)


Таблица 1 – Параметры ПЛИС XC3S1000
Device System
Gates 		Logic
Cells 		CLB Array (One CLB = Four Slices) Distributed
RAM (bits1) 		Block RAM
(bits 1) 		Dedicated
Multipliers 		DCMs Maximum
User I/O 		Maximum
Differential
I/O Pairs
Rows Columns Total CLBs
XC3S1000 1M 17,280 48 40 1,920 120K 432K 24 4 391 175


Описание интерфейса блока верхнего уровня (TOP-модуль)

Листинг 1 — VHDL-описание компонента верхнего уровня (top.vhd) 

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
 
entity top is
  port(
    CLK  : in    std_logic;             -- синхросигнал 50 МГц (T9)
    BTN  : in    std_logic_vector(3 downto 0);  -- кнопки (L14 L13 M14 M13)
    SW   : in    std_logic_vector(7 downto 0);  -- переключатели (K13 K14 J13 J14 H13 H14 G12 F12)
    -- полоска светодиодов
    LED  : out   std_logic_vector(7 downto 0);  -- P11 P12 N12 P13 N14 L12 P14 K12
    -- семисегментный индикатор
    SEG  : out   std_logic_vector(7 downto 0);  -- P16 N16 F13 R16 P15 N15 G13 E14
    AN   : out   std_logic_vector(3 downto 0);  -- E13 F14 G14 D14
    -- выводы интерфейса RS232
    RXD  : in    std_logic_vector(1 downto 0);  -- N10 T13
    TXD  : out   std_logic_vector(1 downto 0);  -- T14 R13
    -- выводы интерфейса VGA
    GRB  : out   std_logic_vector(2 downto 0);  -- T12 R12 R11
    VH   : out   std_logic_vector(1 downto 0);  -- T10 R9
    -- выводы интерфейса PS2
    PS2  : inout std_logic_vector(1 downto 0);  -- M16 M15
    -- выводы подключения внешнего ОЗУ
    ADDR : out   std_logic_vector(17 downto 0);  -- L3 K5 K3 J3 J4 H4 H3 G5 E4 E3 F4 F3 G4 L4 M3 M4 N3 L5
    DATA : inout std_logic_vector(31 downto 0);  -- N1 M1 K2 C3 F5 G1 E2 D2 D1 E1 G2 J1 K1 M2 N2 P2 R1 P1
                                                 -- L2 J2 H1 F2 P8 D3 B1 C1 C2 R5 T5 R6 T8 N7
    CE   : out   std_logic_vector(1 downto 0);  -- N5 P7
    OE   : out   std_logic;             -- K4
    WE   : out   std_logic;             -- G3
    BSEL : out   std_logic_vector(3 downto 0));  -- R4 P5 T4 P6
end;
 
architecture beh of top is
begin
  -- отключение неиспользуемых выводов
  ADDR <= "000000000000000000";
  DATA <= "ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ";
  CE   <= "11";
  OE   <= '1';
  WE   <= '1';
  BSEL <= x"0";
 
  TXD <= "11";
  PS2 <= "ZZ";
 
  GRB <= "000";
  VH  <= "00";
 
  LED <= x"00";
  SEG <= x"00";
  AN  <= x"F";
 
end architecture beh;


Варианты заданий

1. Преобразователь из кода Грея в двоичный код 8-разрядного числа

  • входы подключить к переключателям (SW)
  • выходы подключить к линейке светодиодов (LED)


2. Преобразователь из двоичного кода в код Грея 8-разрядного числа

  • входы подключить к переключателям (SW)
  • выходы подключить к линейке светодиодов (LED)


3. Умножитель (4-разрядное число × 4-разрядное число)

  • входы подключить к переключателям (SW)
  • выходы подключить к линейке светодиодов (LED)


4. Сумматор (4-разрядное число + 4-разрядное число)

  • входы подключить к переключателям (SW)
  • выходы подключить к линейке светодиодов (LED)


5. Дешифратор из 3 в 8

  • входы подключить к кнопкам (BTN)
  • выходы подключить к линейке светодиодов (LED)


Источник — «http://www.simhard.com/wiki/index.php?title=ПЦУСБ/Лабораторная_работа_4&oldid=3616»