Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы XILINX в среде WebPACK ISE: Учебно-методическое пособие

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

ПРО Е К Т И РО В А Н И Е Ц И Ф РО В Ы Х У СТ РО Й СТ В Н А Б А ЗЕ ПЛИ С Ф И РМ Ы XILINX В СРЕ Д Е WebPACK ISE Пособ и едлястудентов 4к. д/о по специ альности 013800 “ Ради оф и зи каи электр они ка”

В О РО Н Е Ж 2004

2 У твер ж дено науч но-м етоди чески м советом ф и зи ческого ф акультета Состави тели :

Боб р еш ов А .М ., Д ы б ой А .В .

Пособ и еподготовлено накаф едр еэлектр они ки ф и зи ческого ф акультета В ор онеж ского государ ственного уни вер си тета.

Реком ендуется для студентов 4к. д/о специ альности “ Ради оф и зи ка и электр они ка”.

3 Н астоящ ее пособ и е служ и т для и зучени я основ р аб оты с пр огр ам м и р уем ой логи кой ф и р м ы XILINX, освоени я пакета пр огр ам м XILINX WebPack 5.1 и получени я пр акти чески х навы ков р аб оты . Ф и р м а XILINX является в настоящ ее вр ем я ведущ и м м и р овы м пр ои зводи телем пр огр ам м и р уем ы х логи чески х и нтегр альны х сх ем , котор ы е пользую тся все б ольш ей популяр ностью ср еди р азр аб отчи ков ци ф р овой аппар атур ы . С др угой стор оны , уни вер сальность таки х сх ем и возм ож ность м ногокр атного пер епр огр ам м и р овани я делаю т и х незам ени м ы м и для получени я пр акти чески х навы ков в об ласти ци ф р овой электр они ки . К сож алени ю , и м ею щ и еся б и б ли огр аф и чески е и сточни ки р ассчи таны скор ее на специ али стов, и м ею щ и х опы т р аб оты , чем на студентов. Д анное пособ и е пр и звано части чно восполни ть этот пр об ел. В си лу огр ани ченного об ъем а оно не пр етендует на полноту и злож ени я, однако автор ы в пер вую очер едь пр еследовали др угую цель – пр едостави ть чи тателю необ х оди м ы й м и ни м ум знани й дляначаласам остоятельной р аб оты . Д анное пособ и е пр едназначено для студентов, об учаю щ и х ся на ф и зи ческом ф акультете по специ альности “ Ради оф и зи ка и электр они ка”.

4

С о дер ж а н и е В В Е Д Е НИ Е .......................................................................................................6 С Е М Е Й С Т В О П Р О Г Р А М М И Р У Е М О Й Л О Г И К И SPARTAN-II Ф И Р М Ы XILINX .......................................................................................................8 А РХИ Т Е К Т У РА СЕ М Е Й СТ В А SPARTAN-II.....................................................8 Б ЛО К И В В О Д А - В Ы В О Д А .................................................................................10 С т рук т ура БВ В .......................................................................................10 В в о д сигна ло в ...........................................................................................11 В ы в о д сигна ла ..........................................................................................12 К О Н Ф И ГУ РИ РУ Е М Ы Й ЛО ГИ Ч Е СК И Й БЛО К .....................................................13 С т рук т ура К Л Б......................................................................................13 Та блица Прео бра зо в а ния.......................................................................14 За по м ина ю щие элем ент ы ......................................................................14 Арифм ет ическ а я ло гик а ........................................................................14 Буферы с т рем я со ст о яниям и..............................................................15 Бло чна я па м ят ь(Block RAM)................................................................15 ПРО ГРА М М И РУ Е М А Я Т РА ССИ РО В О Ч Н А Я М А Т РИ Ц А .....................................16 Л о к а льны е св язи ......................................................................................16 Тра ссиро в о чны е ресурсы о бщего на зна чения.....................................17 Тра ссиро в о чны е ресурсы для бло к о в в в о да -в ы в о да ...........................17 С пециа льны е т ра ссиро в о чны е ресурсы . .............................................18 Гло ба льны е т ра ссиро в о чны е ресурсы .................................................18 Ра спределение сигна ло в синхро низа ции ..............................................18 М А Р Ш Р У Т П Р О Е К Т И Р О В А НИ Я ЦИ Ф Р О В Ы Х У С Т Р О Й С Т В НА БА ЗЕ П Л И С ..............................................................................................................20 СО ЗД А Н И Е Н О В О ГО ПРО Е К Т А ........................................................................22 РА БО Т А С РЕ Д А К Т О РО М ПРИ Н Ц И ПИ А ЛЬ Н Ы Х СХЕ М .....................................24 РА БО Т А С Т Е К СТ О В Ы М РЕ Д А К Т О РО М ...........................................................31 ЗА Д А Н И Е Т О ПО ЛО ГИ Ч Е СК И Х И В РЕ М Е Н Н Ы Х О ГРА Н И Ч Е Н И Й ПРО Е К Т А ......32 СИ Н Т Е З ПРО Е К Т А ...........................................................................................33 РА ЗМ Е Щ Е Н И Е И Т РА ССИ РО В К А ПРО Е К Т А .....................................................34 ПРО ГРА М М И РО В А Н И Е К РИ СТ А ЛЛО В ............................................................35 О П И С А НИ Е Л А БО Р А Т О Р НО Г О М А К Е Т А ........................................39 П Р И Л О Ж Е НИ Е 1. БИ БЛ И О Т Е К А В С Т Р О Е ННЫ Х К О М П О НЕ НТ О В WEBPACK ISE......................................................................40 А РИ Ф М Е Т И Ч Е СК И Е Ф У Н К Ц И И .......................................................................40 Б У Ф Е РЫ ..........................................................................................................41 К О М ПА РА Т О РЫ ..............................................................................................42

5 СЧ Е Т Ч И К И ......................................................................................................43 Д Е К О Д Е РЫ ......................................................................................................44 Т РИ ГГЕ РЫ .......................................................................................................45 Т РИ ГГЕ РЫ -ЗА Щ Е ЛК И .....................................................................................45 Ф У Н К Ц И И В В О Д А / В Ы В О Д А ...........................................................................45 ЛО ГИ Ч Е СК И Е ПРИ М И Т И В Ы ............................................................................46 Э ЛЕ М Е Н Т Ы ПА М Я Т И ......................................................................................47 М У ЛЬ Т И ПЛЕ К СО РЫ ........................................................................................47 СД В И ГО В Ы Е РЕ ГИ СТ РЫ ..................................................................................48 Д РУ ГИ Е К О М ПО Н Е Н Т Ы ..................................................................................49 Л И Т Е Р А Т У Р А ...............................................................................................50

6

В веден и е Т р ади ци онно счи талось, что пр оекти р овани е даж е неслож ной ци ф р овой аппар атур ы нельзя вы полни ть в сж аты е ср оки . Е сли пр и составлени и пр огр ам м ного об еспечени я для м и кр опр оцессор ов давно пр и м еняю тся ср едства ускор енного пр оекти р овани я, ци кл р азр аб отки ци ф р овой аппар атур ы оставался неи зм енны м и вклю чал несколько последовательны х этапов. Сначала нуж но р азр аб отать пр и нци пи альную сх ем у устр ой ства, затем спр оекти р овать и и зготови ть печатную плату, см онти р овать ее и пр овер и ть на р аб отоспособ ность. Поскольку допущ енны е ош и б ки вы являю тся, как пр ави ло, во вр ем я тести р овани я, возм ож но потр еб уется повтор ени е всего ци кла. Т о ж е сам ое потр еб уется и для об новлени я вер си и устр ой ства. Д о си х пор сам ы м р аспр остр аненны м вы х одом и з данной си туаци и б ы ло и спользовани е однокр и стальны х м и кр оком пью тер ов (м и кр оконтр оллер ов). Е сли б ольш и нство ф ункци й си стем ы возлож ено на м и кр оконтр оллер , об новлени е своди тся к его пер епр огр ам м и р овани ю . О днако м и кр оконтр оллер ы способ ны спр ави ться далеко не с лю б ой задачей . И х нельзя пр и м енять там , где тр еб уется б ы стр одей ствую щ ая об р аб отка данны х и ли м ногоканальная об р аб отка (напр и м ер , в ци ф р овы х ви деоси стем ах ). В таки х случаях еди нственны м р еш ени ем станови тся и спользовани е специ али зи р ованны х свер х б ольш и х и нтегр альны х сх ем (СБИ С). Пр и м енени е таки х сх ем дает х ор ош и й р езультат для р еш ени я стандар тны х , наи б олее ти пи ч ны х задач. В то ж е вр ем я пр оекти р овани е нер егуляр ны х узлов пр и х оди лось вы полнять на б азе сх ем м алой и ср едней степеней и нтегр аци и ли б о пр и м енять специ али зи р ованны е и ли полузаказны е м атр и чны е СБИ С (М аБИ С). В последнем случае тр еб уем ая ф ункци я заклады вается пр и создани и кр и сталла на заводеи зготови теле, и з-за чего р езко удор ож ается и удли няется ци кл пр оекти р овани я. Появлени е пр огр ам м и р уем ы х логи чески х и нтегр альны х м и кр осх ем (ПЛИ С) и зм ени ло си туаци ю . Э волю ци я ПЛИ С нач и налась со сх ем , котор ы е путем пр огр ам м и р овани я позволяли р еали зовы вать нер егуляр ны е части ци ф р овой аппар атур ы . С увели чени ем слож ности и ем кости ПЛИ С и х об ласть пр и м енени я значи тельно р асш и р и лась. И х стали и спользовать для пар аллельной об р аб отки данны х , постр оени я свер х б ы стр одей ствую щ и х вы ч и сли телей , атакж едляпр ям ой зам ены специ али зи р ованны х СБИ С. Т аки м об р азом , пр и м енени е ПЛИ С дает р азр аб отчи кам следую щ и е пр еи м ущ ества: • ум еньш ени е коли чества ди скр етны х элем ентов на плате, а значи т упр ощ ени е м онтаж а, а такж е повы ш ени е надёж ности сх ем и ком пактности ;

7 • повы ш ени е б ы стр одей стви я слож ны х сх ем , что дости гается за счет отсутстви ям онтаж ны х соеди нени й ; • что наи б олее важ но, р азви ти е теор ети чески х м етодов в электр они ке позволяет на совр ем енном этапе р ади кально упр ости ть и ускор и ть р азр аб отку пр и нци пи альной сх ем ы устр ой ства. В то ж е вр ем я, совер ш енствовани е ПЛИ С позволяет легко воплощ ать даж еочень слож ны есх ем ы ; • алгор и тм ы об р аб отки данны х , котор ы е допускаю т р аспар аллели вани е (а таки х б ольш и нство), м огут вы полняться на б азе ПЛИ С б ы стр ее, чем с пом ощ ью м и кр опр оцессор ов. По скор ости об р аб отки данны х некотор ы е совр ем енны е сем ей ства ПЛИ С м огут конкур и р овать см ульти пр оцессор ны м и си стем ам и ; • в си лу того что б ольш и нство совр ем енны х ПЛИ С м огут б ы ть пер епр огр ам м и р ованы непоср едственно в си стем е, то есть б ез и звлечени я м и кр осх ем ы и з готового устр ой ства, станови тся возм ож ны м и спр авлять ош и б ки в уж е готовы х пр оектах , вы пускать новы е вер си и об ор удовани я подоб но том у, как вы пускаю тсяновы евер си и ком пью тер ны х пр огр ам м ; • р азр аб отка специ али зи р ованны х СБИ С окупает себ я только для очень кр упны х пр оектов. В то ж е вр ем я не очень дор оги е совр ем енны е ПЛИ С по стои м ости сопостави м ы с заказны м и сх ем ам и . Т аки м об р азом , пр и м енени е ПЛИ С м ож ет сущ ественно сни зи ть стои м ость р азр аб отки , а следовательно и готового и здели я; • р азр аб отка пр оектов на б азе ПЛИ С тр еб ует м еньш его вр ем ени , чем р азр аб отка заказны х сх ем . В настоящ ее вр ем я р азр аб отчи ки СБИ С ш и р око и спользую т пр огр ам м и р уем ую логи ку для пер воначальной отладки пр оектов. Н а сегодняш ни й день б олее 80% и спользуем ы х ПЛИ С вы пускает несколько кр упны х пр ои зводи телей . А р х и тектур ы пр едлагаем ы х и м сем ей ств и м ею т м ного об щ его, поскольку пр едставлени я об опти м альной ар х и тектур е б ази р уется на сущ ествую щ и х м етодах пр оекти р овани я. К р ом е того, пр ои зводи тели стр ем ятся адапти р овать свою пр одукци ю к ш и р оком у классу пр акти чески р еш аем ы х задач. О станови м свой вы б ор на сем ей стве Spartan-II, вы пускаем ом ф и р м ой Xilinx. В настоящ ее вр ем я это сем ей ство пр едставляет б ольш ой и нтер ес для р азр аб отчи ков. О но вклю чает сх ем ы , логи ческая ем кость котор ы х леж и т в пр еделах от 15.000 до 200.000 экви валентны х венти лей . Э то позволяет р еали зовы вать достаточно слож ны е пр оекты на одном кр и сталле, напр и м ер , вы сокочастотны е ци ф р овы е ф и льтр ы , устр ой ства для р еали заци и б ы стр ого пр еоб р азовани я Ф ур ье и ли Wawelet-

8 пр еоб р азовани й , ци ф р овы е пр и ем ни ки и пер едатчи ки , даж е м и кр оконтр оллер ы (так назы ваем ы е Soft-пр оцессор ы ). Д ля пони м ани я пр и нци пов р аб оты ПЛИ С останови м ся на ар х и тектур е сем ей ства Spartan-II. Более подр об ную и нф ор м аци ю м ож но получи ть на сай те пр ои зводи теля http://www.xilinx.com

С ем ейство пр о гр а м м и р уем о й л о ги ки SPARTAN-II ф и р м ы XILINX Ар хи тектур а сем ейства SPARTAN-II Сем ей ство SPARTAN-II и м еет ар х и тектур у, х ар актер ную для FPGA ф и р м ы XILINX. Пр едстави тели этого сем ей ства м огут пр и м еняться в пр оектах как альтер нати вазаказны м и ли полузаказны м и нтегр альны м сх ем ам ем костью до 200.000 си стем ны х венти лей . Н екотор ы ех ар актер и сти ки сем ей ствапр и ведены ни ж е: • ем кость от 15 000 до 200 000 си стем ны х венти лей ; • си стем наяпр ои зводи тельность до 200 М Гц; • поддер ж ка 16 наи б олее р аспр остр аненны х стандар тов вводавы вода; • четы р е встр оенны х м одуля автоподстр ой ки задер ж ек (DLL delay-locked loop) для р асш и р енного упр авлени я тактовы м и си гналам и как внутр и ПЛИ С, так и в пр еделах печатной платы и ли устр ой ства; • четы р е глоб альны е сети р аспр еделени я тактовы х си гналов с м алы м и р азб егам и ф р онтов; • 24 локальны етактовы есети ; • встр оенная б лочная пам ять, каж ды й б лок конф и гур и р уется как си нх р оннаядвух пор товаяRAM ём костью 4 К б и т; • специ альная логи ка ускор енного пер еноса для вы сокоскор остны х ар и ф м ети чески х опер аци й ; • конф и гур аци якр и сталлах р ани тся во внеш нем ПЗУ и загр уж ается в ПЛИ С послевклю чени япи тани я. О сновны м и особ енностям и ар х и тектур ы кр и сталлов сем ей ства Spartan-II являю тся ги б кость и р егуляр ность. К р и сталлы состоят и з м атр и цы К ЛБ (К онф и гур и р уем ы й Логи чески й Блок), котор ая окр уж ена пр огр ам м и р уем ы м и б локам и ввода-вы вода (БВ В ). В се соеди нени я м еж ду основны м и элем ентам и (К ЛБ, БВ В ) осущ ествляю тся с пом ощ ью наб ор а и ер ар х и чески х вы сокоскор остны х пр огр ам м и р уем ы х тр асси р овочны х р есур сов. И зоб и ли е таки х р есур сов позволяет р еали зовы вать на ПЛИ С

9

Ри с.1. Стр уктур наясх ем аSpartan-II

сем ей ства Spartan-II даж есам ы е насы щ енны еи слож ны е пр оекты . К р и сталлы сем ей стваSpartan-II пр ои зводятсянаосновестати ческого О ЗУ (Static Random Access Memory – SRAM), поэтом у ф ункци они р овани е кр и сталлов опр еделяется загр уж аем ы м и во внутр енни е ячей ки пам яти конф и гур аци онны м и данны м и . Стр уктупнаясх ем аSpartan-II показананар и с.1. О сновны м и пр огр ам м и р уем ы м и элем ентам и м атр и цы являю тся: • К онф и гур и р уем ы й Логи чески й Блок - К ЛБ (в англи й ском вар и анте Configurable Logic Block –CLB). К ЛБ являю тся основны м и элем ентам и , на основе котор ы х р еали зуется вся логи ка • Блок В вода-В ы вода - БВ В (в англи й ском вар и анте Input/Output Blocks - IOB). БВ В осущ ествляю т и нтер ф ей с м еж ду контактам и м и кр осх ем ы и К ЛБ. • Соеди нени е м еж ду К ЛБ осущ ествляется с пом ощ ью тр асси р овочны х м атр и ц – Т М . Э то м атр и ца пр огр ам м и р уем ы х тр анзи стор ны х двунапр авленны х пер еклю чателей , р асполож енны х на пер есечени и гор и зонтальны х и вер ти кальны х ли ни й связи . К аж ды й К ЛБ окр уж ен локальны м и ли ни ям и связи (VersaBlockTM), котор ы е позволяю т осущ естви ть соеди нени я с м атр и цей Т М . • И нтер ф ей с ввода-вы вода VersaRing создает дополни тельны е тр асси р овочны е р есур сы по пер и ф ер и и кр и сталла. Э ти тр ассы улучш аю т об щ ую “ тр асси р уем ость” устр ой ства и возм ож ности

10 тр асси р овки после закр еплени я электр и чески х цепей к конкр етны м контактам . А р х и тектур а Spartan-II такж е вклю чает следую щ и е элем енты , котор ы е соеди няю тсясм атр и цей Т М : • Специ альны еб локи пам яти (BRAMs) р азм ер ом 4096 б и т каж ды й . • Ч еты р е м одуля автоподстр ой ки задер ж ек (DLL), пр едназначенны х для ком пенсаци и задер ж ек тактовы х си гналов, атакж еделени я, ум нож ени яи сдви гаф азы тактовы х частот. • Буф ер ы с тр ем я состояни ям и (BUFT), котор ы е р асполож ены вб ли зи каж дого К ЛБ и упр авляю т гор и зонтальны м и сегм енти р ованны м и тр ассам и . К оды , запи санны ев ячей ки стати ческой пам яти , упр авляю т настр ой кой логи чески х элем ентов и ком м утатор ам и тр асс, осущ ествляю щ и х м еж соеди нени я в сх ем е. Э ти коды загр уж аю тся в ячей ки после вклю чени я пи тани я и м огут пер езагр уж аться в пр оцессе р аб оты , если необ х оди м о и зм ени ть р еали зуем ы ем и кр осх ем ой ф ункци и . Бл о ки вво да -вы во да О тли чи тельны м свой ством БВ В сем ей ства Spartan-II является поддер ж ка ш и р окого спектр а стандар тов си гналов ввода-вы вода, что позволяет сопр ягать Spartan-II с б ольш и нством б ы стр одей ствую щ и х элем ентов пам яти и ш и нны х и нтер ф ей сов. С т рук т ура Б В В Н а р и с.2 пр едставлена стр уктур ная сх ем а Б В В . Блок содер ж и т тр и запом и наю щ и х элем ента, ф ункци они р ую щ и х ли б о как D-тр и ггер ы , ли б о как тр и ггер ы -защ елки . К аж ды й БВ В и м еет вх одной си гнал си нх р они заци и (CLK), р аспр еделенны й на тр и тр и ггер а и незави си м ы е для каж дого тр и ггер а си гналы р азр еш ени я такти р овани я (Clock Enable - CE). К р ом е того, на все тр и ггер ы заведен си гнал Сб р оса/У становки (Set/Reset - SR). Д ля каж дого тр и ггер а этот си гнал м ож ет б ы ть сконф и гур и р ован незави си м о как си нх р онная установка (Set), си нх р онны й сб р ос (Reset), аси нх р онная пр едустановка (Preset) и ли аси нх р онны й сб р ос (Clear). В х одны е и вы х одны е б уф ер ы , а такж е все упр авляю щ и е си гналы в Б В В допускаю т незави си м ы й вы б ор поляр ности . Д анное свой ство не отоб р аж ено на б лок-сх ем е Б В В , но контр оли р уется пр огр ам м ой пр оекти р овани я. По вы б ор у к каж дом у контакту м ож ет подклю чаться: • внутр енни й р ези стор , соеди ненны й сзем ляной ш и ной (pulldown);

11

Ри с.2 Стр уктур аб локаввода-вы водаSpartan-II

• внутр енни й р ези стор , соеди ненны й сш и ной пи тани я(pullup); • м алом ощ ная сх ем а удер ж ани я последнего состояни я (week keeper). В в о д сигна ло в В х одной си гнал БВ В м ож ет б ы ть пр отр асси р ован ли б о непоср едственно к б локам внутр енней логи ки , ли б о чер ез вх одной тр и ггер . К р ом е того, м еж ду вы х одом б уф ер а и D-вх одом тр и ггер а м ож ет б ы ть подклю чен элем ент задер ж ки , ком пенси р ую щ и й наб ег ф аз пр и р аспр остр анени и си гналов м еж ду контактам и . К аж ды й вх одной б уф ер м ож ет б ы ть сконф и гур и р ован таки м об р азом , чтоб ы удовлетвор ять одном у и з стандар тов ввода-вы вода, поддер ж и ваем ы х устр ой ством . К каж дом у вх оду после окончани я пр оцесса конф и гур и р овани я м огут б ы ть, по вы б ор у, подклю чены внутр енни е р ези стор ы (ли б о pull-up, ли б о pulldown). Н ом и нал эти х р ези стор ов леж и т в пр еделах 50 - 150 К О м .

12 В ы в о д сигна ла В ы х одной си гнал пр ох оди т чер ез б уф ер с тр ем я состояни ям и , вы х од котор ого соеди нен непоср едственно с контактом . Си гнал м ож ет б ы ть пр отр асси р ован на вх одб уф ер а с тр ем я состояни ям и ли б о непоср едственно от внутр енней логи ческой стр уктур ы , ли б о чер ез вы х одной тр и ггер б лока ввода-вы вода. У пр авлени е б уф ер ом с тр ем я состояни ям и такж е м ож ет осущ ествляться ли б о непоср едственно от внутр енней логи ческой стр уктур ы , ли б о чер ез специ альны й тр и ггер БВ В , котор ы й позволяет создать си нх р онное упр авлени е си гналом р азр еш ени я и запр ещ ени я для б уф ер а с тр ем я состояни ям и . К аж ды й такой вы х одной каскадр ассчи тан навтекаю щ и й ток до 48 м А и вы текаю щ и й ток до 24 м А . Пр огр ам м и р овани ем ощ ности и скор ости нар астани я си гнала вы х одного каскада позволяет м и ни м и зи р овать пер ех одны е пр оцессы в ш и нах . По вы б ор у к каж дом у вы х оду м ож ет б ы ть подклю чена сх ем а week-keeper. Е сли данная цепь акти ви р ована (задаётся пользователем на этапе создани я сх ем ы ), то она следи т за напр яж ени ем на контакте м и кр осх ем ы и создает слаб ую нагр узку для вх одного си гнала, подклю ченную ли б о к "зем ле" (если на вх оде ур овень логи ческого нуля), ли б о к и сточни ку пи тани я(если на вх одеур овень логи ческой еди ни цы ). Е сли контакт подклю чен к нескольки м и сточни кам си гнала, эта цепь удер ж и вает ур овень вх одного си гнала в его последнем состояни и , пр и услови и , что все и сточни ки б ы ли пер еведены в состояни е с вы соки м и м педансом . Поддер ж ани е таки м путем одного и з допусти м ы х логи чески х ур овней позволяет ли кви ди р овать неопр еделённость ур овняш и ны .

13 Ко н ф и гур и р уем ы й л о ги чески й бл о к С т рук т ура К Л Б Базовы м элем ентом К ЛБ является логи ческая ячей ка - ЛЯ (Logic Cell LC). ЛЯ состои т и з 4-х вх одового ф ункци онального генер атор а, логи ки ускор енного пер еноса и запом и наю щ его элем ента. В ы х од каж дого ф ункци онального генер атор а каж дой логи ческой ячей ки подсоеди нен к

Ри с. 3 Секци яК ЛБ сем ей стваSpartan-II

вы х оду К ЛБ и к D-вх оду тр и ггер а. К аж ды й К ЛБ сер и и Spartan-II содер ж и т четы р е логи чески е ячей ки , ор гани зованны е в ви де двух оди наковы х секци й (Slice), О дна секци я пока зана на р и с. 3. В дополнени е к четы р ем б азовы м логи чески м ячей кам , К ЛБ сер и и Spartan-II содер ж и т логи ку, котор ая

14 позволяет ком б и ни р овать р есур сы ф ункци ональны х генер атор ов для р еали заци и ф ункци й от пяти и ли ш ести пер ем енны х . Т аки м об р азом , пр и оценке чи сла экви валентны х си стем ны х венти лей для м и кр осх ем сем ей ства Spartan-II каж ды й К ЛБ пр и р авни ваетсяк4,5 ЛЯ . Та блица Прео бра зо в а ния Ф ункци ональны е генер атор ы р еали зованы в ви де 4-х вх одовы х таб ли ц пр еоб р азовани я (Look-Up Table -LUT). К р ом е и спользовани я в качестве ф ункци ональны х генер атор ов, каж ды й LUT-элем ент м ож ет б ы ть такж е и спользован как си нх р оннаяпам ять ти паRAM р азм ер ностью 16x1 б и т. Более того, и з двух LUT-элем ентов в р ам ках одной секци и м ож но р еали зовать си нх р онную RAM-пам ять р азм ер ностью 16х 2 б и та и ли 32х 1 б и т, ли б о двух пор товую си нх р онную RAM-пам ять р азм ер ностью 16х 1 б и т. Н а LUTэлем енте м и кр осх ем ы Spartan-II м ож ет б ы ть р еали зован 16-ти б и товы й сдви говы й р еги стр , котор ы й и деально подх оди т для зах вата вы сокоскор остны х и ли пакетны х потоков данны х . Э тот р еж и м м ож ет такж е и спользоватьсядлязапом и нани яданны х в пр и лож ени ях ци ф р овой об р аб отки си гналов. За по мина ю щ ие элемент ы Запом и наю щ и е элем енты в каж дой секци и К ЛБ Spartan-II м огут конф и гур и р оваться как ди нам и чески е тр и ггер ы (чувстви тельны е к ф р онту си гнала) D-ти па, ли б о как тр и ггер ы -защ елки , чувстви тельны е к ур овню си гнала. D-вх од тр и ггер а м ож ет упр авляться ли б о от ф ункци онального генер атор а в р ам ках той ж е секци и К ЛБ, ли б о непоср едственно от вх одов данной секци и К ЛБ, м и нуя ф ункци ональны е генер атор ы . К р ом е си гналов си нх р они заци и (Clock) и р азр еш ени я си нх р они заци и (Clock Enable - CE) в каж дой секци и К ЛБ есть си гналы си нх р онной установки (Set) и сб р оса (Reset). О б означени е эти х си гналов –SR и BY соответственно. Си гнал SR пер еводи т запом и наю щ и й элем ент в состояни е, опр еделённое для него в конф и гур аци онны х данны х , аси гнал BY –в пр оти вополож ноесостояни е. Э ти ж е си гналы м огут б ы ть и спользованы такж е в качестве аси нх р онной пр едустановки (Preset) и очи стки (Clear). В сеси гналы упр авлени ям огут б ы ть незави си м о пр ои нвер ти р ованы . О ни заведены на об а тр и ггер а в р ам ках конкр етной секци и К ЛБ. Арифмет ическ а я ло гик а К аж дая ЛЯ содер ж и т специ альную логи ку ускор енного пер еноса, котор ая об еспечи вает наи лучш ую р еали заци ю на ПЛИ С р азли чны х ар и ф м ети чески х ф ункци й . К ЛБ содер ж и т две отдельны е цепи пер еноса - по одной на каж дую секци ю . Разм ер ность цепи пер еноса - два б и та на К ЛБ.

15 А р и ф м ети ческая логи ка вклю чает в себ я элем ент, р еали зую щ и й ф ункци ю и склю чаю щ его И ЛИ (XOR), котор ы й позволяет р еали зовать одноб и тны й сум м атор в одной логи ческой ячей ке. В каж дой логи ческой ячей ке и м еется элем ент, р еали зую щ и й ф ункци ю И , котор ы й пр едназначен для постр оени я б ы стр одей ствую щ и х ум нож и телей . Специ альны е тр ассы логи ки ускор енного пер еноса м огут такж е и спользоваться для каскадного вклю чени я ф ункци ональны х генер атор ов пр и необ х оди м ости создани я ф ункци й с б ольш и м коли чеством вх одны х пер ем енны х . Б уферы с т ремя со ст о яниями К аж ды й К ЛБ Spartan-II содер ж и т два б уф ер а с тр ем я состояни ям и , котор ы е нагр уж ены на внутр енни е ш и ны . К аж ды й б уф ер BUFT и м еет незави си м ы й вх од упр авлени я тр етьи м состояни ем и незави си м ы й вх одной контакт. Б ло чна я па мят ь (Block RAM) В FPGA Spartan-II встр оена особ ая б лочная пам ять (Block SelectRAM) б ольш ой ём кости . О на создана в дополнени е к р аспр еделенной пам яти неб ольш ой ём кости (SelectRAM), р еали зованной натаб ли цах пр еоб р азовани я

Ри с. 4 Блок пам яти SelectRAM

(Look Up Table RAM). М и кр осх ем а XC2S50, установленная на м акетной плате, и м еет 8 таки х б локов, каж ды й и з котор ы х и м еет ем кость 4096 б и т. К аж ды й б лок пам яти , как показано на р и с. 4, - это полностью си нх р онная двух пор товая RAM с незави си м ы м упр авлени ем для каж дого пор та. Разм ер ность ш и ны данны х для об еи х пор тов м ож ет б ы ть сконф и гур и р ована незави си м о(1, 2, 4, 8 и ли 16 б и т), что позволяет создавать пр еоб р азователи р азм ер ности ш и ны . В кр и сталлах Spartan-II созданы специ альны е тр асси р овочны ер есур сы длясвязи б лочной пам яти сб локам и CLB и др уги м и б локам и б лочной пам яти .

16 Пр о гр а м м и р уем а я тр а сси р о во чн а я м а тр и ц а Т р асси р овочная м атр и ца сем ей ства Spartan-II и м еет слож ную и ер ар х и ческую стр уктур у. М ож но вы дели ть локальны е связ и , тр асси р овочны е р есур сы об щ его назначени я, глоб альны е тр асси р овочны е р есур сы , специ альны е тр асси р овочны е р есур сы и тр асси р овочны е р есур сы дляб локов ввода-вы вода. Л о к а льны е св язи Стр уктур а локальны х тр асси р овочны х р есур сов и зоб р аж ена на р и с. 5. Здесь пр и сутствует тр и ти пасоеди нени й : • Связи м еж ду таб ли цам и пр еоб р азовани я (LUT), тр и ггер ам и и главной тр асси р овочной м атр и цей • В нутр енни е об р атны е связ и К ЛБ (CLB), котор ы е создаю т вы сокоскор остны е связ и с таб ли цам и пр еоб р азовани я (LUT) в р ам ках одного К ЛБ, и позволяю т соеди нять и х в ви де цепочек с м и ни м альны м и задер ж кам и р аспр остр анени яси гналов • Пр ям ы е тр ассы , котор ы е создаю т вы сокоскор остны е соеди нени я

Ри с. 5. Локальны етр асси р овочны ер есур сы

с соседни м и по гор и зонтали К ЛБ, и зб егая пр и этом б ольш и х задер ж ек, пр и сущ и х тр ассам главной тр асси р овочной м атр и цы .

17 Тра ссиро в о чны е ресурсы о бщ его на зна чения Больш и нство связей в кр и сталлах Spartan-II р еали зую тся с пом ощ ью тр асси р овочны х р есур сов об щ его назначени я и , следовательно, б ольш ая часть р есур сов м еж соеди нени й связана с эти м ти пом тр асси р овочной и ер ар х и и . Т р асси р овочны е р есур сы об щ его назначени я р асполож ены в ви де гор и зонтальны х и вер ти кальны х тр асси р овочны х каналов и р азм ещ ены в непоср едственной б ли зости от стр ок и столб цов м атр и цы , об р азованной б локам и К ЛБ. Н и ж епер ечи слены эти р есур сы : • Пр и м ы каю щ аяк каж дом у К ЛБ главнаятр асси р овочнаям атр и ца– ГТ М . ГТ М – это м атр и ца пер еклю чателей , с пом ощ ью котор ы х ком м ути р ую тся гор и зонтальны е и вер ти кальны е тр ассы и поср едством котор ы х б локи К ЛБ получаю т доступ к тр асси р овочны м р есур сам об щ его назначени я • ГТ М связана в каж дом и з четы р ех напр авлени й с соседней ГТ М поср едством 24-х тр ассоди нар ной дли ны • 96 б уф ер и зованны х HEX-ли ни й тр асси р ую т ГТ М си гналы к ш ести др уги м ГТ М в каж дом и з четы р ех напр авлени й . HEXли ни и ор гани зованны в ви де зи гзагооб р азны х ли ни й . HEX-ли ни и м огут подклю чаться к и сточни кам си гнала только в свои х конечны х точках и ли сер еди нны х (тр и б лока от и сточни ка). О дна тр етья часть HEX-ли ни й является двунапр авленны м и , в то вр ем я какостальны е– однонапр авленны е. • 12 дли нны х ли ни й являю тся б уф ер и зи р ованны м и , двунапр авленны м и ли ни ям и , р аспр остр аняю щ и м и си гналы в м и кр осх ем е б ы стр о и эф ф екти вно. В ер ти кальны е дли нны е ли ни и и м ею т пр отяж енность р авную полной вы соте кр и сталла, а гор и зонтальны едли нны ели ни и – полной ш и р и не. Тра ссиро в о чны е ресурсы для бло к о в в в о да -в ы в о да К р и сталл Spartan-II и м еет дополни тельны е тр асси р овочны е р есур сы , р асполож енны е по пер и ф ер и и всей м и кр осх ем ы . Э ти тр асси р овочны е р есур сы ф ор м и р ую т доб авочны й и нтер ф ей с м еж ду б локам и К ЛБ и б локам и БВ В . Э ти дополни тельны е р есур сы , назы ваем ы е VersaRing, улучш аю т возм ож ности закр еплени я си гналов за контактам и и пер еназначени я уж е сделанного закр еплени я, если это тр еб овани е наклады вается р асполож ени ем пр оводни ков на печатной плате. Пр и этом сокр ащ ается вр ем я и зготовлени я всего пр оекта, т. к. и зготовлени е и пр оекти р овани е печатной платы м ож но вы полнять одновр ем енно спр оекти р овани ем FPGA.

18 С пециа льны е т ра ссиро в о чны е ресурсы . Н екотор ы е классы си гналов тр еб ую т нали чи я специ альны х тр асси р овочны х р есур сов для м акси м и заци и б ы стр одей стви я. В устр ой стве Spartan-II специ альны е тр асси р овочны е р есур сы создавали сь для двух классов си гналов: • Гор и зонтальны е тр асси р овочны е р есур сы создавали сь для р еали заци и в м и кр осх ем е ш и н с тр ем я состояни ям и . Ч еты р е р азделенны е ли ни и ш и н р еали зованы для каж дой стр оки К ЛБ, позволяя ор гани зовы вать ср азу несколько ш и н в пр еделах одной стр оки • Д ве специ альны е ли ни и для р аспр остр анени я си гналов б ы стр ого пер еносак пр и легаю щ ем у К ЛБ в вер ти кальном напр авлени и . Гло ба льны е т ра ссиро в о чны е ресурсы Глоб альны етр асси р овочны ер есур сы р аспр еделяю т тактовы еси гналы и др уги е си гналы с б ольш и м коэф ф и ци ентом р азветвлени я по вы х оду на всем пр остр анстве кр и сталла. К р и сталл Spartan-II и м еет два ти па глоб альны х тр асси р овочны х р есур сов, назы ваем ы х соответственно пер ви чны м и и втор и чны м и . Пер ви чны е глоб альны е тр асси р овочны е р есур сы пр едставляю т соб ой четы р еспеци альны еглоб альны е сети со специ ально вы деленны м и вх одны м и контактам и и связанны м и с ни м и глоб альны м и б уф ер ам и , спр оекти р ованны м и для р аспр еделени я си гналов си нх р они заци и с вы соки м коэф ф и ци ентом р азветвлени я и с м и ни м альны м и р азб егам и ф р онтов. К аж дая такая сеть м ож ет б ы ть нагр уж ена на вх оды си нх р они заци и всех К ЛБ, БВ В и BlockRAM – б локов м и кр осх ем ы . И сточни кам и си гналов для эти х сетей м огут б ы ть только глоб альны е б уф ер ы . В сего и м еется четы р е глоб альны х б уф ер а– по одном удлякаж дой глоб альной сети . В тор и чны е глоб альны е тр асси р овочны е р есур сы состоят и з 24 м аги стр альны х ли ни й , 12 вдоль вер х ней кр ом ки кр и сталла и 12 вдоль ни ж ней . По эти м связям м ож ет б ы ть р аспр остр анено до 12-ти уни кальны х си гналов на колонку по 12 дли нны м ли ни ям данной колонки . В тор и чны е р есур сы являю тся б олееги б ки м и , чем пер ви ч ны е, т.к. эти си гналы , в отли чи е от пер ви чны х , м огут тр асси р оватьсянетолько до вх одов си нх р они заци и . Ра спределение сигна ло в синхро низа ции К ак б ы ло сказано вы ш е, для р аспр еделени я си гналов си нх р они заци и и спользую тся четы р е специ альны е глоб альны е сети . В м и кр осх ем у встр оено четы р е глоб альны х б уф ер а. Э ти б уф ер ы чер ез пер ви чны е глоб альны е сети м огут подводи ть си гналы си нх р они заци и на лю б ой тактовы й вх од. Д ля каж дого глоб ального б уф ер а и м еется соответствую щ и й , пр и м ы каю щ и й к

19 нем у контакт м и кр осх ем ы . Си гнал на вх од глоб ального б уф ер а м ож ет подаваться как с эти х контактов, так и от си гналов, тр асси р уем ы х р есур сам и об щ его назначени я. Пр и р аспр еделени и тактовы х си гналов б ольш оезначени е и гр аю т задер ж ки р аспр остр анени я, котор ы е м огут пр и вести к сб оям в си нх р они заци и . О б щ епр и няты е м етоди ки пр оекти р овани я и сх одят и з пр едполож ени я, что задер ж ка р аспр остр анени я тактовы х си гналов м еньш е др уги х х ар актер ны х задер ж ек в пр оекте. И спользовани е глоб альны х ш и н позволяет удовлетвор и ть этом у услови ю . К р ом е того, с каж ды м глоб альны м б уф ер ом связан м одуль ци ф р овой автоподстр ой ки задер ж ки , котор ы й м ож ет устр анять пер екос задер ж ек м еж ду си нх р оси гналом на вх одном контакте м и кр осх ем ы и си гналам и на тактовы х вх одах внутр енни х сх ем устр ой ства. К аж дая DLL м ож ет б ы ть нагр уж ена на две глоб альны е цепи си нх р они заци и . Сх ем а DLL отслеж и вает си гнал си нх р они заци и на вх одном контакте м и кр осх ем ы и тактовы й си гнал, р аспр еделяем ы й внутр и кр и сталла, затем автом ати чески устанавли вает необ х оди м ую задер ж ку. Д ополни тельная задер ж ка вводи тся таки м об р азом , что ф р онты си гналов си нх р они заци и дости гаю т внутр енни х тр и ггер ов в точности на оди н пер и одси нх р они заци и позж е и х пр и х ода на вх одной контакт. Э та си стем а с об р атной связью эф ф екти вно устр аняет задер ж ку р аспр еделени я си гналов си нх р они заци и , гар анти р уя, что ф р онты си нх р оси гналов на вх оде м и кр осх ем ы и на внутр енни х тактовы х вх одах сб ольш ой точностью си нх р онны . В доб авок, для устр анени я задер ж ек, возни каю щ и х пр и р аспр еделени и тактовы х си гналов, DLL создает новы е возм ож ности упр авлени я ф ункци ям и си нх р они заци и . М одуль DLL м ож ет создавать четы р е квадр атур ны е ф азы и з и сх одного и сточни ка си нх р оси гнала; удваи вать частоту си нх р оси гнала и ли дели ть эту частотуна1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 8 и ли 16.

20

М а р ш р ут пр о екти р о ва н и я ц и ф р о вы х устр о йств н а ба зеПЛИС Создани е пр оектов на б азе ПЛИ С невозм ож но б ез и спользовани я си стем автом ати зи р ованного пр оекти р овани я (СА ПР). Ср еди СА ПР, поддер ж и ваю щ и х сем ей ство Spartan-II, стои т вы дели ть пакет WebPack ISE ф и р м ы Xilinx. Э тот пр одукт является б есплатной вер си ей пр огр ам м ного об еспечени я ISE Foundation. WebPack об ладает пр акти чески всем и возм ож ностям и ком м ер ческой вер си и . В нем не поддер ж и ваю тся кр и сталлы б ольш ой ем кости (1.000.000 и б олее венти лей ), однако сем ей ство Spartan-II поддер ж и вается полностью . Д ля создани я ци ф р ового устр ой ства на б азе ПЛИ С Xilinx необ х оди м о вы полни ть следую щ ую последовательность опер аци й : • Создать новы й пр оект, указав сем ей ство, ти п ПЛИ С и ср едств си нтеза. • Разр аб отать опи сани е пр оекти р уем ого устр ой ства в сх ем отех ни ческой , алгор и тм и ческой и ли текстовой ф ор м е (то есть с пом ощ ью язы ков опи сани я ци ф р овы х сх ем VHDL, Verilog, ABEL). • В ы полни ть си нтез устр ой ства. • Пр овести пр овер ку пр оекта м етодом ф ункци онального м одели р овани я. Н а этом этапе пр ои зводи тся м одели р овани е б ез учета вр ем енны х задер ж ек, и м ею щ и х ся в р еальном пр оекте. Т акой подх од позволяет ускор и ть р аб оту пр огр ам м ы м одели р овани я. К р ом е того, достовер ная и нф ор м аци я о вр ем енны х задер ж ках появляется уж е после р азм ещ ени я всего пр оектав кр и сталле. О тладкаотдельны х ф ункци ональны х б локов об ы чно пр ои зводи тсянаф ункци ональном ур овне • В ы полни ть р азм ещ ени еи тр асси р овку пр оектав кр и сталл. • Пр овести окончательную вер и ф и каци ю пр оекта м етодом вр ем енного м одели р овани я, то есть м одели р овани я с учетом р еальны х вр ем енны х задер ж ек. • Загр узи ть конф и гур аци онны е данны е пр оекта в кр и сталл (вы полни ть пр огр ам м и р овани е ПЛИ С). О пер аци и ф ункци онального и вр ем енного м одели р овани я не являю тся об язательны м и , но позволяю т значи тельно сокр ати ть об щ еевр ем яр азр аб отки устр ой ства за счет р аннего об нар уж ени я возм ож ны х ош и б ок. Д ля освоени я опи санного м ар ш р ута пр оекти р овани е необ х оди м о и зуч и ть б азовы е пр и ем ы р аб оты спр огр ам м ны м об еспечени ем WebPack ISE.

21 Д ля акти ви заци и пакета необ х оди м о запусти ть пр огр ам м у WebPACK Project Navigator. Н а экр ане отоб р аж ается основное окно Н ави гатор а пр оекта (р и с. 6), котор ое содер ж и т кр ом е стандар тны х элем ентов четы р е встр оенны х окна: • окно и сх одны х м одулей пр оекта(Sources in Project); • окно необ х оди м ы х пр оцессов для вы б р анного и сх одного м одуля пр оекта(Processes) • окно консольны х сооб щ ени й пр огр ам м ны х м одулей (Console); • окно р едактор атекстовы х HDL-опи сани й пр оекта. В окне и сх одны х м одулей пр оекта отоб р аж ается и ер ар х и ческая стр уктур а, состоящ ая и з м одулей , в котор ы х содер ж и тся опи сани е пр оекти р уем ого устр ой ства и опи сани е тестовы х воздей стви й , и спользуем ы х в пр оцессе м одели р овани я. К аж ды й ти п м одуля и м еет соответствую щ ее гр аф и ческоеоб означени е- пи ктогр ам м у.

Ри с.6. О сновноеокно Н а в ига т о ра про ек т а пакетаWebPACK ISE

22 О кно пр оцессов показы вает м ар ш р ут об р аб отки вы деленного и сх одного м одуля в пр оцессе пр оекти р овани я устр ой ства. Т аки м об р азом , в данном окне подр об но отоб р аж аю тся все этапы пр оцесса р азр аб отки и пр огр ам м и р овани я ПЛИ С. В этом ж е окне м ож но вы з вать вы полнени е р азли чны х ути ли т и этапов пр оекти р овани я. Д ля этого нуж но дваж ды щ елкнуть м ы ш кой насоответствую щ ей стр окев окнепр оцессов. Содер ж и м ое окна пр оцессов является контекстно-зави си м ы м , то есть в нем отоб р аж аю тся только те пункты , котор ы е и м ею т отнош ени е к текущ ем у этапу р аб оты . В этом ж еокнеотоб р аж аю тсяи м енасозданны х в пр оцессер аб оты отчетов. Д ля пр осм отр аотчетаследует дваж ды щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и настр окес названи ем отчета. О кно консольны х сооб щ ени й пр едназначено для вы вода и нф ор м аци и пр огр ам м ны х м одулей пакета, р аб отаю щ и х в консольном р еж и м е. Здесь отоб р аж аю тсясооб щ ени яоб ош и б ках и пр едупр еж дени я. О кно и нтегр и р ованного текстового р едактор а станови тся акти вны м , если для пр оекти р уем ого устр ой ства и ли и спольз уем ы х б и б ли отек вы б р ан способ опи сани янаязы кеHDL. В неш ни й ви дср еды и стр уктур а окон м ож ет отли чаться в зави си м ости от ти паи сх одны х м одулей и и спользуем ого сем ей ства ПЛИ С. С о зда н и ен о во го пр о екта Д ля создани я нового пр оекта следует вы полни ть ком анду File основного м еню Н ави гатор апр оекта, азатем во всплы ваю щ ем м еню вы б р ать стр окуNew Project, как показано нар и с. 7. В откр ы вш ей ся ди алоговой панели нуж но опр едели ть и сх одны е данны е, необ х оди м ы едлясоздани япр оекта: • названи епр оекта; • ди ски каталог, в котор ом пр едполагаетсяр асполож и ть пр оект; • сем ей ство ПЛИ С, наб азекотор ого р азр аб аты ваетсяустр ой ство; • ти п кр и сталла; • кор пус; • б ы стр одей стви е; • ср едство си нтезаПЛИ С. После успеш ного создани я пр оекта необ х оди м о создать м одули и сх одного опи сани я пр оекти р уем ого устр ой ства. Рассм отр и м сначала пр и м ер создани ясх ем отех ни ческого м одуля. Д ля создани я нового м одуля и сх одного опи сани я пр оекта следует наж ать кнопку на опер ати вной панели и ли вы б р ать ком анду New Source и з р аздела Project основного м еню . В откр ы вш ей ся ди алоговой панели ,

23

Ри с.7. Создани енового пр оектав СА ПР WebPACK ISE

показанной нар и с. 8, необ х оди м о вы б р ать ти п нового м одуля, задать его и м я и указать м есто р асполож ени яф ай ланади ске. Д ляр азр аб отки пр и нци пи альной сх ем ы следует в пр едлож енном спи ске ди алоговой панели вы б р ать ти п создаваем ого и сх одного м одуля (напр и м ер , Schematic), щ елкнув на соответствую щ ей стр оке левой кнопкой м ы ш и . Затем нуж но акти ви зи р овать поле р едакти р овани я названи я м одуля (ф ай ла) File Name и ввести текст и м ени спом ощ ью клави атур ы . Расш и р ени е и м ени ф ай ла устанавли вается автом ати чески в соответстви и с вы б р анны м ти пом м одуля. М есто р асполож ени я создаваем ого м одуля на ди ске указ ы вается в поле р едакти р овани я Location ди алоговой панели (р и с. 8). По ум олчани ю пр едлагается р аб очи й каталог текущ его пр оекта. Е сли ф лаг и нди катор а Add to project нах оди тся в установленном состояни и (поле и нди катор а пом ечено м ар кер ом ), то созданны й м одуль автом ати чески вклю чается в состав текущ его пр оекта. У становка значени й всех необ х оди м ы х пар ам етр ов создаваем ого м одуля завер ш ается наж ати ем клави ш и "Next"(Д алее), котор ая нах оди тся в ни ж ней части ди алоговой панели (р и с.8). Пр и успеш ном

24

Ри с.8. Д и алоговаяпанель установки пар ам етр ов нового и сх одного м одуляпр оекта

создани и м одуля откр ы вается и нф ор м аци онная панель, на котор ой отоб р аж аю тся пар ам етр ы созданного м одуля. Е сли пар ам етр ы кор р ектны , следует наж ать кнопку Finish, в пр оти вном случае наж ать кнопку Back и заново пр ои звести р едакти р овани е пар ам етр ов. После наж ати я кнопки Finish пр ои зводи тся запуск ути ли ты , котор ая отвечает за р едакти р овани е м одулей . Д лясх ем отех ни чески х м одулей это гр аф и чески й р едактор сх ем ECS. Ра бо та с р еда кто р о м пр и н ц и пи а л ьн ы х схем Д ля создани я пр и нци пи альной сх ем ы устр ой ства необ х оди м о вы полни ть следую щ ее: • Разм ещ ени еэлем ентов электр и ческой сх ем ы • Соеди нени еэлем ентов спом ощ ью пр оводни ков и ш и н • Пр и сваи вани еи м ен отдельны м пр оводни кам и ш и нам • Пр и вязкаси гналов к внеш ни м вы водам ПЛИ С

25 Пр и откр ы ти и окна сх ем отех ни ческого р едактор а (р и с. 9) акти ви зи р ован р еж и м вы б ор а об ъекта, установленны й по ум олчани ю . В этом р еж и м е осущ ествляется вы делени е, пер ем ещ ени е и удалени е элем ентов сх ем ы , атакж еи х пр осм отр и р едакти р овани е Д ля ввода си м волов ком понентов создаваем ой сх ем ы следует наж ать на и нстр ум ентальной панели и ли вы б р ать ком анду Symbol, кнопку котор ая нах оди тся во всплы ваю щ ем м еню Add. Реж и м ввода си м волов

Ри с.9. Располож ени е си м волов ком понентов на

ол р втом теж аати чески вклю чается пр и вы б ор е си м вола в панели ком понентовпта ке ж че еа б и б ли отек, котор ая нах оди тся в пр авой части окна ECS (р и с. 9). В начале следует вы б р ать нуж ную ф ункци ональную гр уппу си м волов б и б ли отеки ком понентов в поле Categories б и б ли отечной панели , пом ести в кур сор на стр оку с ее названи ем и щ елкнув левой кнопкой м ы ш и . Д алее тем ж е способ ом в поле Symbols вы б и р ается и ском ы й ком понент, после чего кур сор м ы ш и следует пер ем ести ть на поле чер теж а. Пр и этом к кур сор у м ы ш и пр и вязы вается контур ное и зоб р аж ени е вы б р анного ком понента, котор ое пер ем ещ ается вм есте с указателем . Д ля получени я повер нутого и /и ли зер кального и зоб р аж ени я си м вола на поле чер теж а м ож но воспользоваться контекстны м м еню , котор ое вы падает пр и наж ати и пр авой кнопки м ы ш и ,

26 ли б о следует наж ать соответственно кнопки и для повор ота и зер кального отр аж ени я ком понента. Д алее следует пом ести ть указатель с и зоб р аж ени ем элем ента в соответствую щ ее м есто стр ани цы сх ем ы и заф и кси р овать его, щ елкнув левой кнопкой м ы ш и . После ввода си м вола кур сор по-пр еж нем у сох р аняет контур ное и зоб р аж ени е элем ента, поэтом у, если в сх ем е и спользуется несколько экзем пляр ов текущ его вы б р анного ком понента, то нуж но пом ести ть указатель на м есто р асполож ени я следую щ его ком понента и вновь щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и . А налоги ч ны м об р азом р азм ещ аю тся на поле чер теж а все ком поненты сх ем ы . Н аж ати е клави ш и ESC акти ви зи р ует р еж и м вы б ор а об ъекта (р еж и м по ум олчани ю , котор ы й б ы л акти вен пр и откр ы ти и р едактор а сх ем ).Д ля соеди нени я ком понентов сх ем ы с пом ощ ью пр оводни ков (Wire) и ш и н (Bus) на и нстр ум ентальной панели и ли вы б р ать следует наж ать кнопку ком анду Wire и з вы падаю щ его м еню Add. Ф ор м и р овани е цепи нач и нается с ф и ксаци и стар товой точки , котор ая м ож ет р асполагаться на своб одном м есте поля чер теж а и ли совпадать с контактом вы вода одного и з ком понентов. Д ля

Ри с.10. Ф ор м и р овани есоеди нени й и ш и н

27 этого следует пом ести ть кур сор м ы ш и в тр еб уем ую точку на поле чер теж а и щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и . Затем следует пер ем ести ть указатель в пози ци ю , соответствую щ ую точке и зги б а, соеди нени я с др уги м пр оводни ком и ли контактом ком понента, а такж е конечной точке цепи . Пр и этом ф ор м и р уем ы й сегм ент цепи отоб р аж ается ш тр и х овой ли ни ей . Ф и ксаци я сегм ента осущ ествляется щ елчком левой кнопкой м ы ш и в конечной точке, послечего новы й ф р агм ент цепи отоб р аж аетсяосновной ли ни ей . Завер ш ени е ф ор м и р овани я цепи осущ ествляется щ елчком пр авой кнопкой м ы ш и после ф и ксаци и последнего сегм ента цепи . Ч тоб ы доб ави ть новы й сегм ент к созданной р анее цепи , следует р асполож и ть кур сор на лю б ом ее участке и щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и , послечего в этой пози ци и отоб р ази тсяточка, отм ечаю щ аясоеди нени едвух цепей . Д алееследует повтор и ть р ассм отр енны е вы ш е дей стви я. Д ля ф ор м и р овани я соеди нени й элем ентов сх ем ы в ви де ш и н необ х оди м о вы полни ть следую щ ую последовательность дей стви й . В начале в р еж и м е ввода пр оводни ков создается гр аф и ческое и зоб р аж ени е ш и ны в ви де ф р агм ента оди ночной цепи в соответстви и с и нстр укци ям и , р ассм отр енны м и вы ш е. Д о тех пор , поканезадано названи еш и ны в соответствую щ ем ф ор м ате (с указани ем р азр ядности и ли пер ечи слени ем пр оводни ков), она отоб р аж ается сплош ной тонкой ли ни ей , как оди ночная цепь. Затем следует на панели пер ей ти в р еж и м ф ор м и р овани я отводов ш и ны , наж ав кнопку и нстр ум ентов и ли вы полни в ком анду Bus Tap и з вы падаю щ его м еню Add. Пр и этом к кур сор у пр и соеди няется и зоб р аж ени е отвода ш и ны (р и с. 10). Си м вол отвода ш и ны м ож ет б ы ть подклю чен к вер ти кальном у и ли гор и зонтальном у сегм енту ш и ны . Д ля получени я нуж ной ор и ентаци и и зоб р аж ени я отвода ш и ны следует воспользоваться кнопкой , пр и каж дом наж ати и котор ой осущ ествляется повор от и зоб р аж ени я на девяносто гр адусов по часовой стр елке. Д алее нуж но указать точку подклю чени я пр оводни ка к ш и не, р асполож и в на ней кур сор и щ елкнув левой кнопкой м ы ш и . Пр и этом си м вол отвода пр и соеди няется к и зоб р аж ени ю вы б р анной ш и ны . После ф ор м и р овани я всех отводов ш и ны пр ои зводи тся и х соеди нени е пр оводни кам и с соответствую щ и м и цепям и и элем ентам и сх ем ы . После подклю чени я пр оводни ков к отводам ш и ны пр ои зводи тся пр и своени е соответствую щ и х наз вани й эти х цепей . Пр и р азр аб отке сх ем ы в р едактор е ECS необ х оди м о установи ть названи я цепей , котор ы е вх одят в состав ш и н и ли и спользую тся для соеди нени й с "внеш ни м и " элем ентам и . В состав названи я цепи м огут вх оди ть пр опи сны е и стр очны е б уквы лати нского алф ави та (A -Z, a - z), ци ф р ы (0 - 9), а такж е си м вол подчер ки вани я ("_"). Н азвани е долж но начи наться с б уквы и ли ци ф р ы и м ож ет состоять только и з ци ф р . Д ли на названи я не долж на пр евы ш ать 255 си м волов. Ч тоб ы вклю чи ть

28 р еж и м ввода названи я цепей , следует наж ать кнопку и нстр ум ентов и ли вы б р ать пункт Add в основном м еню , а

на панели

Ри с.11 Задани епар ам етр ов в р еж и м евводаназвани й цепей

затем в соответствую щ ем всплы ваю щ ем м еню - стр оку Net Name. В этом р еж и м е панель дополни тельны х пар ам етр ов сх ем отех ни ческого р едактор аи м еет ви д, показанны й нар и с. 11. В этой панели следует акти ви зи р овать поле ввода и м ени цепи (Name), пом ести в на него кур сор и щ елкнув левой кнопкой м ы ш и . Н азвани е цепи наб и р ается в этом поле с пом ощ ью клави атур ы . В веденны й текст названи я пр и вязы вается к кур сор у м ы ш и пр и пер ем ещ ени и последнего на поле чер теж а сх ем ы . Д алее необ х оди м о пом ести ть указатель на и зоб р аж ени е соответствую щ ей цепи и щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и . Е сли на сх ем е

29 пр и сутствую т два и ли б олее пр оводни ка с оди наковы м и названи ям и , но не и м ею щ и еточексоеди нени й , то они об ъеди няю тсяэлектр и чески в одну цепь. Н азвани я ш и н устанавли ваю тся аналоги чно в том ж е р еж и м е. Ф ор м ат названи й ш и н и м еет следую щ и й ви д (:), напр и м ер , OUT_Q(15:0). Н азвани япр оводни ков ш и ны указы ваю тсяв ф ор м ате (), напр и м ер , OUT_Q (5).

Ри с.12. У становкапор тов

Пр и вязка си гналов пр оекта к внеш ни м вы водам ПЛИ С пр ои зводи тся с пом ощ ью так назы ваем ы х пор тов (р и с. 12). Д ля вклю чени я р еж и м а ввода на панели и нстр ум ентов и ли вы полни ть пор тов следует наж ать кнопку ком анду I/O Marker и з вы падаю щ его м еню Add, после чего к кур сор у пр и вязы вается и зоб р аж ени е пор та. Е го ти п (вх одной Input, вы х одной Output и ли двунапр авленны й Bidirectional) указы вается с пом ощ ью гр уппы кнопок,

30 р асполож енны х на панели дополни тельны х пар ам етр ов. М ар кер пр и соеди няется к цепи , котор ая долж на соеди няться с одни м и з внеш ни х вы водов. В нутр и си м вола пор та отоб р аж ается названи е цепи , к котор ой он подсоеди нен. У становкапор тов дляш и н пр ои зводи тсяаналоги ч но. Д ля пр овер ки р азр аб отанной сх ем ы следует воспользоваться ком андой Check Schematic, котор ая р асполагается в вы падаю щ ем м еню Tools, и ли на и нстр ум ентальной панели сх ем отех ни ческого р едактор а. В кнопкой пр оцессе вер и ф и каци и осущ ествляется контр оль целостности сх ем ы и вы полнени я пр ави л электр и чески х соеди нени й . После вы полнени я пр овер ки откр ы вается окно отчета, в котор ом отоб р аж аю тся сооб щ ени я о возм ож ны х ош и б ках и пр едупр еж дени ясуказани ем цепи и ли ком понента, скотор ы м они связаны . Заклю чи тельны м ш агом в пр оцессе р азр аб отки сх ем ы является ее сох р анени е в ви де ф ай ла на ди ске. Д ля этого следует и спользовать ком анду , р асполож енную на Save и з всплы ваю щ его м еню File и ли кнопку опер ати вной панели упр авлени я. В пр оцессе р азр аб отки сх ем ы часто

Ри с.13. Пр и нци пи альная сх ем а устр ой ства последовательного вы б ор а.

31 и спользую тся опер аци и удалени я, пер ем ещ ени я и копи р овани я элем ентов сх ем ы . Э ти пр оцедур ы вы полняю тся в р еж и м е вы б ор а об ъекта сх ем отех ни ческого р едактор а ECS, котор ы й автом ати чески акти ви зи р уется пр и отм ене б ольш и нства опер аци й и ли вклю чается пр и наж ати и кнопки на панели и нстр ум ентов. В ы полнени е опер аци й р едакти р овани я начи нается с указани я соответствую щ его об ъекта. Д ля вы делени я элем ента сх ем ы нуж но пом ести ть кур сор на его и зоб р аж ени е и щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и . Д ля отм ены вы делени я следует щ елкнуть левой клави ш ей м ы ш и насвоб одном полечер теж а. Н а р и с. 13 пр и ведена завер ш енная сх ем а, пр ом еж уточны е этапы р и совани якотор ой р ассм отр ены вы ш е. Ра бо та с тексто вы м р еда кто р о м К ак б ы ло сказано вы ш е, пакет WebPack ISE поддер ж и вает опи сани е

Ри с. 14. Редактор текстовы х опи сани й пр оекта

пр и нци пи альны х сх ем в ф ор м ате HDL (Hardware Description LAnguage). В одном пр оекте м огут пр и сутствовать как сх ем отех ни чески е, так и текстовы е м одули (на язы ке VHDL, Verilog, ABEL). Д ля создани я и подклю чени я к пр оекту текстового м одуля необ х оди м о вы б р ать ком анду New Source и з р аздела Project основного м еню . В откр ы вш ей ся ди алоговой панели ,

32 показанной на р и с. 8, необ х оди м о вы б р ать VHDL module. О ткр оется окно текстового р едактор а, внеш ни й ви дкотор ого и зоб р аж ен на р и с. 14. Пр овер ка си нтакси са, опи сани е вр ем енны х огр ани чени й , вы зов пр огр ам м ы м одели р овани е ModelSim и др уги е необ х оди м ы е дей стви я вы зы ваю тся и з окнапр оцессов. За да н и ето по л о ги чески х и вр ем ен н ы х о гр а н и чен и й пр о екта Пр огр ам м ы си нтеза, р азм ещ ени я и тр асси р овки и спользую т дополни тельную и нф ор м аци ю , котор ая не содер ж и тся в пр и нци пи альной сх ем е устр ой ства. К топологи чески м свой ствам пр оекта относи тся в пер вую очер едь р аспр еделени е внеш ни х вы водов м еж ду пор там и , опр еделенны м и в сх ем е. Совр ем енны е ПЛИ С даю т возм ож ность подклю чать лю б ой си гнал пр оекта к пр ои звольном у вы воду м и кр осх ем ы (кр ом е вы водов специ ального назначени я, ф ункци и котор ы х об ы чно ф и кси р ованы ). Под вр ем енны м и огр ани чени ям и подр азум еваю т в пер вую очер едь огр ани чени я на задер ж ки р аспр остр анени я отдельны х си гналов и ли и х гр упп. Д ля глоб альны х тактовы х вх одов, состояни е котор ы х упр авляется внеш ни м и генер атор ам и , опр еделяется частота эти х генер атор ов. Д ля задани я подоб ной и нф ор м аци и не сущ ествует стандар тны х сх ем отех ни чески х элем ентов, язы ки опи сани я аппар атур ы тож е не и м ею т таки х ср едств. Поэтом у топологи чески е и вр ем енны е огр ани чени я задаю тся в специ альном ф ай ле, и м я котор ого совпадает с и м енем пр оекта, а р асш и р ени е .ucf. (аб б р еви атур а от User Constraints File) Ч тоб ы пр и ступи ть к р едакти р овани ю ф ай ла UCF,

Ри с.16. Ф ай л вр ем енны х и топологи чески х огр ани чени й

Ри с.15.Раб очая об ласть основного окна

33 необ х оди м о в окне и сх одны х м одулей Н а в ига т о ра про ек т а щ елчком левой кнопки м ы ш и вы дели ть стр оку с названи ем м одуля вер х него ур овня и ер ар х и и , послечего в окнепр оцессов р азвер нуть "User Constraints". Д ля и зм енени я ф ай ла UCF в текстовом р едактор е, следует дваж ды щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и на стр оке "Edit Constraints (Text)" (р и с. 15), в р езультате чего откр ы вается окно р едакти р овани я, в котор ом пр едставлен ф ай л огр ани чени й и ли его ш аб лон, создаваем ы й автом ати чески для нового пр оекта (р и с. 16). Ч тоб ы вы полненны е и зм енени я вступи ли в си лу, необ х оди м о сох р ани ть ф ай л UCF на ди ске ком андой Ф ай л/Сох р ани ть. В качестве пр и м ер ов р ассм отр и м ф ор м аты вы р аж ени й , опи сы ваю щ и х наи б олее часто и спользуем ы е огр ани чени я. Пар ам етр LOC позволяет осущ естви ть закр еплени е вы водов пер ед тр асси р овкой . Д ля пр и вязки "внеш ни х " цепей пр оекта(подклю чаем ы х к контактам кр и сталла) к тр еб уем ы м вы водам ПЛИ С и спользуетсяследую щ и й ф ор м ат вы р аж ени я NET LOC=; напр и м ер , NET clock LOC = P1; Значени е пер и ода си гнала си нх р они заци и для соответствую щ ей цепи пр оекта задается с пом ощ ью пар ам етр а PERIOD. Сокр ащ енны й ф ор м ат запи си вы р аж ени яогр ани чени яи м еет ви д NET PERIOD = ; напр и м ер , NET clock PERIOD=20ns;. С и н тезпр о екта После подготовки пр и нци пи альной сх ем ы и ф ай ла огр ани чени й UCF м ож но пр и ступи ть к вы полнени ю си нтеза, в пр оцессе котор ого и з ф ай лов HDL-опи сани й пр оекти р уем ого устр ой ства ф ор м и р уется ф ай л спи ска соеди нени й в ф ор м ате EDIF (Electronic Data Interchange Format). Си нтези р ованны й ф ай л пр едставляет соб ой текстовое (ASCII) опи сани е пр оекта, но на б олее ни зком логи ческом ур овне в ф ор м ате, воспр и ни м аем ом пр огр ам м ам и тр асси р овки Xilinx. Пр и этом пр и нци пи альная сх ем а пр оекта автом ати чески пр еоб р азуется в HDL-ф ор м ат, соответствую щ и й вы б р анны м ср едствам си нтеза. Пр еж де чем непоср едственно акти ви зи р овать пр оцесс си нтеза, м ож но и зм ени ть значени я его пар ам етр ов. Д ля этого нуж но в окне пр оцессов щ елчком левой кнопки м ы ш и вы дели ть стр оку Synthesize, после чего наж ать , р асполож енную наопер ати вной панели Н ави гатор апр оекта, и ли кнопку воспользоваться ком андой Properties контекстно-зави си м ого всплы ваю щ его м еню , котор ое вы води тся пр и щ елчке пр авой кнопки м ы ш и . В р езультате вы полненны х дей стви й на экр ане м они тор а отоб р аж ается ди алоговая панель пар ам етр ов си нтеза, ви дкотор ой показан нар и с. 17.

34

Ри с.17. Д и алоговаяпанель пар ам етр ов си нтеза

Э тади алоговаяпанель содер ж и т тр и стр ани цы , снаб ж енны езакладкам и си х названи ям и : "Synthesis options", "HDL options" и "Xilinx Specific options". К аж дая и з эти х стр ани ц содер ж и т соответствую щ ую гр уппу пар ам етр ов, пр едставленны х в ви де таб ли цы . В пр оцессе об учени я р еком ендуется не и зм енять значени япар ам етр ов, установленны епо ум олчани ю . Пр оцессси нтезаакти ви зи р уетсядвой ны м щ елчком левой кнопки м ы ш и на стр оке "Synthesize" в окне пр оцессов Н а в ига т о ра про ек т а . И нф ор м аци я о х оде его вы полнени я отоб р аж ается в окне консольны х сооб щ ени й . После завер ш ени я этого пр оцесса, отм еченного соответствую щ ей пи ктогр ам м ой в стр оке Synthesize, м ож но откр ы ть отчет о р езультатах си нтеза, дваж ды щ елкнув левой кнопкой м ы ш и настр океView Synthesize Report. Ра зм ещ ен и еи тр а сси р о вка пр о екта Э тап р азм ещ ени я и тр асси р овки пр оектов вклю чает в себ я две ф азы : тр ансляци и и р аспр еделени я р есур сов кр и сталла для р еали заци и пр оекти р уем ого устр ой ства. В пр оцессе тр ансляци и вы полняется об ъеди нени е всех спи сков соеди нени й в ф ор м ате EDIF, вх одящ и х в состав пр оекта, и и нф ор м аци и об о всех огр ани чени ях , котор ая содер ж и тся в ф ай лах UCF. Результатом ф азы тр ансляци и является ф ор м и р овани е логи ческого опи сани я пр оекта в тер м и нах пр и м и ти вов Xilinx ни зкого ур овня с учетом вр ем енны х и топологи чески х огр ани чени й . Н а втор ой стади и р ассм атр и ваем ого этапа пр ои зводи тся р азб и ени е логи ческого опи сани я

35 пр оекта, полученного на пр еды дущ ем ш аге, на б локи в соответстви и с р есур сам и вы б р анного ти па ПЛИ С. Пр и этом вы полняется опти м и заци я с целью м и ни м и заци и и спользуем ы х р есур сов кр и сталла с учетом заданны х огр ани чени й . В р езультате вы полнени я этапа р азм ещ ени я и тр асси р овки создается двои чны й ф ай л, котор ы й опи сы вает и спользовани е ф и зи чески х р есур сов кр и сталла для р еали заци и ф ункци й пр оекти р уем ого устр ой ства. Пер ед вы полнени ем пр оцедур р ассм атр и ваем ого этапа м ож но установи ть значени я и х пар ам етр ов тем ж еспособ ом , что и дляпр оцессаси нтеза. О днако на пер вы х пор ах р еком ендуется остави ть значени я, установленны е по ум олчани ю . Д алее следует акти ви зи р овать пр оцесс р азм ещ ени я и тр асси р овки двой ны м щ елчком левой кнопки м ы ш и на стр оке Implement Design в окне пр оцедур Н а в ига т о ра про ек т а . И нф ор м аци я о х оде его вы полнени я отоб р аж ается в окне консольны х сооб щ ени й . Завер ш ени е вы полнени я каж дой ф азы этого пр оцесса отм ечается соответствую щ ей пи ктогр ам м ой в стр оке с ее названи ем и сопр овож дается отчетом о полученны х р езультатах . Д ля пр осм отр а отчета о вы полнени и тр ансляци и следует дваж ды щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и на стр оке Translation Report. В качестве пр и м ер а ни ж е пр и веден отчет о вы полнени и тр ансляци и пр оекта, си нтез котор ого р ассм отр ен в пр еды дущ ем р азделе. О тчет содер ж и т и нф ор м аци ю о каж дом ш аге тр ансляци и (пр еоб р азовани и EDIF-опи сани й в ф ор м ат Xilinx NGD, пр овер ке вр ем енны х специ ф и каци й , вер и ф и каци и логи ческой стр уктур ы пр оекта), атакж еоб ош и б ках и пр едупр еж дени ях . Пр о гр а м м и р о ва н и екр и ста л л о в Пр еж де чем пр и ступи ть к пр огр ам м и р овани ю ПЛИ С, необ х оди м о пр еоб р азовать р езультаты , полученны е на этапе р азм ещ ени я и тр асси р овки пр оекта в кр и сталл, в ф ор м ат, воспр и ни м аем ы й ср едствам и пр огр ам м и р овани я. Д ля создани я конф и гур аци онной последовательности (ф ай ла пр огр ам м и р овани я) следует дваж ды щ елкнуть левой кнопкой м ы ш и на стр оке "Generate Programming File", р асполож енной в окне пр оцессов Н а в ига т о ра про ек т а (р и с. 9). И нф ор м аци я о х оде его вы полнени я отоб р аж ается в окне консольны х сооб щ ени й и стр оке состояни я. После успеш ного завер ш ени я этого пр оцесса, отм еченного соответствую щ ей пи ктогр ам м ой в стр оке "Generate Programming File", м ож но пр и ступать непоср едственно к пр огр ам м и р овани ю ПЛИ С. Д ляконф и гур и р овани яПЛИ С, вы пускаем ы х ф и р м ой Xilinx, тр еб уетсязагр узочны й каб ель.

36 Пр еж де чем пр и ступи ть непоср едственно к р аб оте с м одулем пр огр ам м и р овани я ПЛИ С iMPACT, котор ы й вх оди т в состав пакета WebPACK ISE, необ х оди м о пр и соеди ни ть загр узочны й каб ель к соответствую щ ем у пор ту ПК и м акетной плате. После этого следует подать напр яж ени е пи тани я на р азр аб отанное устр ой ство. Т акая последовательность об еспечи вает возм ож ность автом ати ческого об нар уж ени я и и ни ци али заци и загр узочного каб еля и кр и сталлов ПЛИ С пр и акти ви заци и пр огр ам м ы iMPACT. Е сли загр узочны й каб ель подклю чается после запуска м одуля пр огр ам м и р овани я, то в этом случае необ х оди м о вы полни ть опер аци и

Ри с. 18. О кно настр ой ки загр узочного каб еля.

установки ти паи пар ам етр ов и спользуем ого каб еля. Д алее следует акти ви зи р овать м одуль пр огр ам м и р овани я двой ны м щ елчком левой кнопки м ы ш и на стр оке "Configure Device (iMPACT)" в окне пр оцедур Н а в ига т о ра про ек т а . Раб ота пр огр ам м ы iMPACT в этом случае начи нается с об нар уж ени я загр узочного каб еля. Е сли пр огр ам м е не удается автом ати чески и денти ф и ци р овать загр узочны й каб ель, то после соответствую щ его пр едупр еж дени я вы води тся ди алоговая панель р уч ной установки его пар ам етр ов, ви дкотор ой пр едставлен нар и с. 18. В этой панели необ х оди м о последовательно установи ть следую щ и е пар ам етр ы : - Communication Mode - ви д и нтер ф ей са, и спользуем ого для ком м утаци и сПК (ти п загр узочного каб еля): Parallel; - Port - ном ер пор та, ккотор ом уподклю чен каб ель загр узки : LPT1. Пр и успеш ном об нар уж ени и пр и соеди ненного загр узочного каб еля пр ои зводи тся автом ати чески й пои ск и и ни ци али заци я устр ой ств, котор ы е м огут б ы ть запр огр ам м и р ованы . Н а м акетной плате и м еется два таки х

37 устр ой ства – ПЛИ С XC2S50 и конф и гур аци онная Flash-пам ять XCV01. Поскольку конф и гур аци онная пам ять ПЛИ С постр оена на стати ческой пам яти , содер ж и м ое котор ой не сох р аняется после вы клю чени я пи тани я, на плату установлена сх ем а энер гонезави си м ой Flash-пам яти . Э ти две сх ем ы соеди нены в последовательную цепочку и пр огр ам м и р ую тся оди наковы м об р азом . О б нар уж енны е устр ой ства отоб р аж аю тся в гр аф и ческом ф ор м ате в р аб очей об ласти основного окна и в текстовом ви де в окне р еги стр аци и сооб щ ени й пр огр ам м ы iMPACT (р и с.21).Д ля пр огр ам м и р овани я ПЛИ С необ х оди м о вы б р ать кр и сталл, пом ести в на него кур сор и щ елкнув левой кнопкой м ы ш и , после чего вы полни ть ком анду Program и з м еню Operations и ли контекстно-зави си м ого всплы ваю щ его м еню , после акти ви заци и котор ой

Ри с. 19. Панель настр ой ки пар ам етр ов загр узки ПЛИ С

наэкр ан вы води тсяди алоговаяпанель пар ам етр ов загр узки (р и с. 19). Э та панель содер ж и т гр уппу об щ и х пар ам етр ов пр огр ам м и р овани я кр и сталлов и гр уппы опци й , относящ и х ся к конкр етны м сем ей ствам ПЛИ С (последни еотносятсятолько к сх ем ам сер и и Virtex2). Пар ам етр Erase Before Programming позволяет р азр аб отчи ку установи ть р еж и м пр едвар и тельного "сти р ани я" конф и гур аци онны х данны х ,

38 нах одящ и х ся во внутр енней энер гонезави си м ой пам яти кр и сталла, пер едего пр огр ам м и р овани ем . Значени е пар ам етр а Verify опр еделяет и спользовани е опер аци и контр оляконф и гур аци онны х данны х в х одепр огр ам м и р овани я ПЛИ С. Пар ам етр Read Protect пр едназначен для установки защ и ты от несанкци они р ованного чтени я (копи р овани я) загр уж аем ы х конф и гур аци онны х данны х . Пр огр ам м и р овани е ПЛИ С с и спользовани ем защ и ты от чтени я устанавли вает код секр етности , котор ы й "сб р асы вается" только пр и вы полнени и опер аци и полного "сти р ани я". С пом ощ ью пар ам етр а Write Protect р азр аб отчи ку пр едоставляется возм ож ность установки защ и ты от случай ного пер епр огр ам м и р овани яПЛИ С. После установки всех необ х оди м ы х значени й пар ам етр ов следует подтвер ди ть и х наж ати ем кнопки "О К " в ни ж ней части ди алоговой панели (р и с. 19), что пр и води т к запуску опер аци и пр огр ам м и р овани я вы б р анного кр и сталла. Завер ш ени е пр оцесса конф и гур и р овани я отм ечается соответствую щ и м и сооб щ ени ям и в р аб очей об ласти и окне р еги стр аци и сооб щ ени й пр огр ам м ы iMPACT.

39

Опи са н и ел а бо р а то р н о го м а кета Лаб ор атор ны й м акет р азр аб отан для и спользовани я в учеб ном пр оцессе, однако м ож ет пр и м еняться и для р еш ени я и нж енер ны х задач. М акет содер ж и т ПЛИ С XC2S50, то есть сх ем у Spartan-II с экви валентной логи ческой ем костью 50 ты с. венти лей . Т акой ем кости вполнедостаточно для постр оени я слож ны х автом атов и ли ср едни х си стем об р аб отки данны х (ф и льтр ы , анали затор ы спектр а и т.д.). Д ля х р анени я конф и гур аци и кр и сталла пр едусм отр ена Flash-пам ять XC18V01. Д ля пр оекти р овани я си нх р онны х устр ой ств на плате и м еется генер атор , частота р аб оты котор ого составляет 40М Гц и ли 80М Гц. Больш и нство внеш ни х вы водов ПЛИ С соеди няю тся с уни вер сальны м и внеш ни м и р азъем ам и . К эти м р азъем ам м ож но подклю чать р азли чны е внеш ни е устр ой ства, осци ллогр аф ы , логи чески е анали затор ы . К р ом е того, м ож но и спользовать м акет в качестве м одуля, р аб отаю щ его в составе какого-ли б о др угого об ор удовани я. Связь с ком пью тер ом и ли с др уги м и м акетам и м ож ет осущ ествляться чер ез последовательны й пор т, совм ести м ы й с RS-232. Д ля удоб ства и нтер акти вной р аб оты на плате установлены 2 кнопки , назначени е котор ы х пр огр ам м и р уется пользователем , атакж е 4 светоди ода. Д ля р аб оты тр еб уется еди нственны й внеш ни й и сточни к пи тани я +5В . В се остальны е необ х оди м ы е напр яж ени я вы р аб аты ваю тся непоср едственно сам и м м одулем с пом ощ ью ли ней ны х стаб и ли затор ов. Пользовательски еI/O К нопки

Т актовы й генер атор

Светоди оды

ПЛИ С XILINX Spartan-II

К онф и г. Flash xc18v01

Пор т пр огр ам м и -р овани я JTAG Ри с.20 Стр уктур наясх ем ам акета

Н ар и с. 20 пр и веденастр уктур наясх ем алаб ор атор ного м акета.

40

Пр и л о ж ен и е 1. Би бл и о тека WebPack ISE

встр о ен н ы х ко м по н ен то в

Панель ком понентов сх ем отех ни ческого р едактор а ECS содер ж и т б ольш ое коли чество ком понентов, отсор ти р ованны х по ф ункци ональны м категор и ям . Н и ж е пр и води тся неполны й спи сок тех ком понентов, котор ы е опр еделены длясем ей стваSpartan-II. Ар и ф м ети чески еф ун кц и и Сущ ествует тр и ти па ар и ф м ети чески х ф ункци й : аккум улятор ы (ACC), сум м атор ы (ADD) и сум м атор ы /вы чи татели (ADSU). ACC4,8,16 – 4, 8, 16 б и т аккум улятор . И м еет вх одной б и т пер еноса (CI), вы х одной ф лаг пер еноса (CO), ф лаг пер еполнени я (OFL). Следую щ и й VHDL-коди ллю стр и р ует пр и нци п р аб оты ACC4. architecture Behavioral of acc4 is begin process(C) begin if (R = ’1’) then Q ’0’); elsif (C’event and C = ’1’) then if (L = ’1’) then Q