FPGA > САПР > Функционально-логическое проектирование: Курс лабораторных работ

ЛР1 > Моделювання простих логічних схем на базових логічних елементах, стенд UP2 і його мікросхеми FLEX10K та МАХ7000

Тема: Моделювання простих логічних схем на базових елементах, структура и особливості роботи лабораторного макету Altera UP2

Мета роботи: Вивчити базові елементи і навчитися будувати на їх основі прості логічні схеми

Завдання

На підставі заданого варіанту вибрати вираз для логічної функції і сформувати таблицю станів.

Завдання №1

Скласти програму на довільно обраній мові програмування в двох варіантах:

а) – таблицю станів задати у вигляді заповненої матриці;

– організувати процедуру введення значень змінних і отримання значення логічної функції.

б) – вираз реалізувати в програмі за допомогою логічної формули;

– організувати процедуру введення значень змінних і отримання значення логічної функції.

Завдання №2

Змоделювати вказаний вираз в середовищі MAX+ в базисі І, АБО, НЕ допомогою створення проекту використовуючи ПЛІС.

Після компіляції проекту провести дослідження отриманої логічної схеми використовуючи сигнальний редактор і засоби імітації (симулятор).

Створити вихідний код і завантажити в лабораторний макет UP2 фірми Altera.

Методичні вказівки

Опис та підключення лабораторного макету UP2 фірми Altera

Лабораторна плата UP2 фірми Altera призначена для відпрацювання лабораторних та практичних навчальних робіт по цифровим пристроям на ПЛІС Altera.

На платі розташовані дві мікросхеми: одна сімейства FLEX10K (тип EPF10K70), друга – сімейства МАХ7000 (тип EPM7128S). Кожній мікросхемі відведені апаратні ресурси, що включають елементи конфігурування, елементи індикації, кнопкові вимикачі, що не фіксуються, DIP-перемикачі, які визначають на висновках мікросхем логічні рівні “0” і “1”, роз’єми розширення для підключення зовнішніх пристроїв і ряд інших елементів.

Плата має вихідний роз’єм для підключення стандартного монітора VGA і вхідний роз’єм PS/2 Mini-Din для підключення послідовних пристроїв (“миша” і клавіатура). Монітор VGA і послідовні пристрої підключаються тільки до мікросхеми сімейства FLEX10K.

Завантаження конфігураційних даних в мікросхеми здійснюється через встановлений на платі вхідний роз’єм інтерфейсу JTAG. Наявність другого (вихідного) роз’єму JTAG забезпечує конфігурування декількох плат UP2, об’єднаних в JTAG-ланцюжок.

Крім того, для зберігання та завантаження конфігурації мікросхеми EPF10K70 може бути використано конфігураційне ПЗП типу EPC1, для якого передбачений відповідний установчий роз’єм.

Завантаження конфігурації з персонального комп’ютера здійснюється за допомогою пристрою ByteBlaster. Пристрій ByteBlaster підключається до паралельного порту персонального комп’ютера і з’єднується кабелем з вхідним роз’ємом JTAG плати UP2.

Плата UP2 має вбудований 5-ти вольтний стабілізатор напруги живлення і працює від зовнішнього нестабілізованого джерела живлення постійного струму.

Основні електронні компоненти плати UP2

У цьому розділі описані основні електронні компоненти плати UP2.

Схема розміщення елементів на платі наведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема розміщення елементів на платі UP2

Складові загального призначення

Роз’єм підключення зовнішнього джерела живлення

Для підключення зовнішнього джерела живлення служить коаксіальний роз’єм, позначений написом DC_IN.

Роз’єм має типорозміри 2,5 мм ´ 5,5 мм.

Внутрішній контакт роз’єму – позитивний “+”.

Зовнішній контакт роз’єму – загальний провід “-“.

Вимоги до зовнішнього (нестабілізованого) джерела живлення:

– діапазон постійної напруги що підводиться від 7 до 9 В,

– струм не менше 350 мA.

На платі є контрольні контактні майданчики зовнішнього живлення що підводиться, позначені написом RAW (“+” – позитивний, “-” – загальний провід).

Вбудований стабілізатор напруги живлення

Плата UP2 має вбудований інтегральний стабілізатор напруги живлення (тип LM340T) з вихідною напругою 5 В.

Наявність напруги живлення плати UP2 індикується зеленим світлодіодом.

На платі є контрольні контактні майданчики стабілізованого живлення, позначені написом DC (“+” – позитивний, “-” – загальний провід).

Тактовий генератор

Плата UP2 містить кварцовий тактовий генератор з частотою 25.175 MГц. Вихід генератора підключено до глобальних тактових входів мікросхем EPM7128S (вивід 83) і EPF10K70 (вивід 91).

Вхідний роз’єм інтерфейсу JTAG

Роз’єм JTAG_IN служить для підключення до плати UP2 кабелю завантажувального пристрою ByteBlaster. Через роз’єм JTAG_IN на ByteBlaster подається живлення від плати UP2.

Таблиця 1. Контакти раз’єма JTAG_IN

 

Контакт Сигнал JTAG Призначення
1 TCK Тактові імпульси
2 GND Земля
3 TDO Вихід даних
4 VCC + Напруги живлення
5 TMS Управління кінцевим автоматом JTAG
6 Не задіяний
7 Не задіяний
8 Не задіяний
9 TDI Вхід даних
10 GND Земля

 

Установчі перемикачі режимів конфігурації

Для установки режимів конфігурування плата UP2 містить чотири 3-х контактних перемикача, виконаних у вигляді штирьових контактів, замкнених перемичками (джамперами).

Перемикачі на платі мають такі позначення (див. рис. 2):

TDI – вхід даних,

TDO – вихід даних,

DEVICE – мікросхема,

BOARD – плата.

Написи С1С2С3 на рис. 2 позначені штирьові контакти перемикачів.

Можливі різні режими конфігурації (див. додаток):

  1. програмування мікросхеми EPM7128S,
  2. конфігурування мікросхеми EPF10K70,
  3. спільне конфігурування обох мікросхем,
  4. конфігурування декількох плат UP2, з’єднаних через вхідні-вихідні роз’єми JTAG_IN та JTAG_OUT.

Режими конфігурації і відповідні їм положення перемичок наведені в таблиці 2.

Рис. 2. Перемикачі вибору режимів конфігурування

 

Таблиця 2. Установка режимів конфігурування

 

Режим TDI TDO DEVICE BOARD
Програмування мікросхеми EPM7128S C1&C2 C1&C2 C1&C2 C1&C2
Конфігурування мікросхеми EPF10K70 C2&C3 C2&C3 C1&C2 C1&C2
Спільне конфігурування обох мікросхем C2&C3 C1&C2 C2&C3 C1&C2
Об’єднання кількох плат UP1 C2&C3 OPEN C2&C3 C2&C3

 

При спільному конфігуруванні пристроїв в JTAG-ланцюжку діють наступні правила:

– Першим пристроєм в JTAG-ланцюжку має бути мікросхема EPF10K70, другим – мікросхема EPM7128S;

– Остання плата в JTAG-ланцюжку не повинна встановлюватися в режим об’єднання плат.

Для контролю процесу конфігурування служать два світлодіоди:

– Мигання зеленого світло діода TCK відображає передачу даних;

– Запалювання світло діода CONF_D сигналізує про успішне закінчення передачі.

Компоненти, що відносяться до мікросхеми сімейства МАХ7000

Мікросхемі EPM7128S доступні наступні ресурси:

– установчий роз’єм для корпуса PLCC з 84 контактами;

– роз’єм JTAG підключення завантажувального кабелю ByteBlaster;

– Два оперативних кнопкових перемикача, що не фіксуються;

– Два 8-розрядних задаючих DIP-перемикача рівнів “0” і “1”;

– Контрольні контактні гнізда сигнальної шини;

– 16 світлодіодів, сигнальної шини;

– Знакосинтезуючий індикатор, що включає два семисегментних знакомісця;

– Вихід тактового генератора (25.175 МГц);

– Роз’єм розширення з 42 контактами вводу/виводу і контакти глобальних синхросигналів CLROE1, і OE2/GCLK2.

Дублюючі роз’єми мікросхеми EPM7128 – розташовані по периметру мікросхеми і дозволяють підключати зовнішні сигнали до контактів мікросхеми.

По 21 контакту на кожній стороні 84-контактного корпусу PLCC з’єднуються з відповідним 22-контактним роз’ємом. Номери контактів мікросхеми EPM7128S позначені на самій платі UP2. Символом “X” позначені контакти без номера. Підключення контактів дублюючих роз’ємів P1P2P3, і P4 показано втаблиці 3 Живлення, земля і контакти JTAG через ці роз’єми не підключаються.

Таблиця 3. Дублюючі роз’єми мікросхеми EPM7128

 

P1 P2 P3 P4
Зовн. Внутр. Зовн. Внутр. Зовн. Внутр. Зовн. Внутр.
75 76 12 13 33 34 54 55
77 78 14 15 35 36 56 57
79 80 16 17 37 38 58 59
81 82 18 19 39 40 60 61
83 84 20 21 41 42 62 63
1 2 22 23 43 44 64 65
3 4 24 25 45 46 66 67
5 6 26 27 47 48 68 69
7 8 28 29 49 50 70 71
9 10 30 31 51 52 72 73
11 х 32 х 53 х 74 х

Кнопкові перемикачі MAX_PB1 и MAX_PB2

Два кнопкових перемикача МАХ_PB1 і МАХ_PB2, що не фіксуються з’єднані з контактами на платі. При натисканні перемикачі замикають зазначені контакти на загальний провід через резистор 10 кОм. Перемикачі можуть бути підключені до контактів мікросхеми EPM7128S з’єднувальними проводами.

Задаючі перемикачі MAX_SW1 и MAX_SW2

Задаючі DIP-перемикачі MAX_SW1 і MAX_SW2 містить по вісім перемикачів, які дозволяють задавати сигнали логічного рівня на пов’язаних з ними контактах. Розімкнутий стан вимикача відповідає логічній “1”, замкнутий – логічному “0”. Перемикачі можуть бути підключені до контактів мікросхеми EPM7128S з’єднувальними проводами.

Контрольні гнізда і світлодіоди

Плата UP2 містить 16 контрольних гнізд і 16 світлодіодів (див. рис. 3.). Струм через світло діоди задається резисторами номіналом 330 Ом. Запалювання кожного світло діода здійснюється логічним “0”. Світлодіоди D1D2, …, D16 з’єднані згідно з контрольними гніздами 1, 2, …, 16.

Рис. 3. Контрольні гнізда і плати UP2

Знакосинтезуючий індикатор схеми EPM7128S

Знакосинтезуючий індикатор схеми EPM7128S позначений написом MAX_DIGIT. Індикатор включає два знакомісця, виконаних на семи сегментних індикаторах із загальним катодом. Відповідно запалювання сегментів здійснюється логічним “0”. Знакомісця індикатор позначення сегментів індикаторів наведено на рис. 4. Підключення сегментів до контактів мікросхеми EPM7128S пояснюється таблицею 4.

Рис. 4. Позначення сегментів знакосинтезуючих індикаторів

Таблиця 4. Семисегментні індикатори мікросхеми EPM7128S

 

Сегмент Контакти мікросхеми, підключені до першого знакомісця Контакти мікросхеми, підключені до другого знакомісця
a 58 69
b 60 70
c 61 73
d 63 74
e 64 76
f 65 75
g 67 77
Decimal point 68 79

Роз’єм розширення мікросхеми МАХ7000

Роз’єм розширення MAX_EXPANSION служить для подачі на мікросхему EPM7128S сигналів вводу-виводу, глобальних сигналів, а також живлення та землі.

Розташування роз’єму і нумерація його контактів показані на рис.5. Відповідність контактів роз’єму – контактам мікросхеми EPM7128S подається таблицею 5.

Рис. 5. Роз’єм розширення мікросхеми EPM7128S на платі UP2

Таблиця 5. Роз’єм розширення мікросхеми EPM7128S

 

Контакт раз’єма Сигнал/контакт мікросхеми Контакт раз’єма Сигнал/контакт мікросхеми
1 RAW 2 GND
3 VCC 4 GND
5 VCC 6 GND
7 Не задіяний 8 Не задіяний
9 Не задіяний 10 Не задіяний
11 Не задіяний 12 GCLRn/1
13 OE1/84 14 OE2/GCLK2/2
15 4 16 5
17 6 18 8
19 9 20 10
21 11 22 12
23 15 24 16
25 17 26 18
27 20 28 21
29 22 30 25
31 24 32 27
33 29 34 28
35 31 36 30
37 33 38 34
39 35 40 36
41 37 42 40
43 39 44 41
45 44 46 46
47 45 48 48
49 50 50 49
51 52 52 51
53 54 54 55
55 56 56 57
57 VCC 58 GND
59 VCC 60 GND

 

Компоненти, що відносяться до мікросхеми сімейства FLEX10K

Плата UP2 має такі ресурси для пристрою EPF10K70. Виводи від пристрою EPF10K70 пов’язані з перемикачем і світлодіодами.

Мікросхемі EPF10K70 доступні наступні ресурси:

– Роз’єм JTAG підключення завантажувального кабелю пристрою ByteBlaster;

– Установлювальний роз’єм (ліжечко) для конфігураційного ПЗП EPC1;

– Вихід тактового генератора (25.175 МГц);

– Два оперативних кнопкових перемикача, що не фіксуються;

– задаючий 8-розрядний DIP-перемикач рівнів “0” і “1”;

– Контрольні контактні гнізда сигнальної шини;

– 16 світлодіодів сигнальної шини;

– Знакосинтезуючий індикатор, що включає два семисегментних знакомісця;

– Інтерфейс і роз’єм VGA-монітора;

– Інтерфейс і роз’єм PS/2 “миші” або клавіатури;

– Три роз’єми розширення з 42 контактами вводу-виводу кожен і сім контактів глобальних синхросигналів.

Кнопкові перемикачі мікросхеми EPF10K7

Два кнопкових перемикача, що не фіксуються позначені написами FLEX_PB1 і FLEX_PB2. Перемикачі з’єднані з контактамизагального призначення відповідно 28 і 29 мікросхеми EPF10K70. При натисканні перемикачі замикають зазначені контакти мікросхеми на загальний провід через резистор 10 кОм.

Задаючі перемикачі мікросхеми EPF10K70

Задаючий DIP-перемикач FLEX_SW1 містить вісім перемикачів, які дозволяють задавати сигнали логічного рівня на восьми багатоцільових контактах вводу-виводу мікросхеми EPF10K70. Розімкнутий стан вимикача відповідає логічній “1”, замкнутий – логічному “0”. Відповідність розрядів перемикача виводам мікросхеми пояснюється таблицею 6.

Таблиця 6. Задаючий DIP-перемикач FLEX_SW1

 

Вимикач Вивід EPF10K70
FLEX_SWITCH-1 41
FLEX_SWITCH-2 40
FLEX_SWITCH-3 39
FLEX_SWITCH-4 38
FLEX_SWITCH-5 36
FLEX_SWITCH-6 35
FLEX_SWITCH-7 34
FLEX_SWITCH-8 33

 

Знакосинтезуючий індикатор мікросхеми EPF10K70

Знакосинтезуючий індикатор мікросхеми EPF10K70 позначений написом FLEX_DIGIT. Індикатор включає два знакомісця, виконаних на семи сегментних індикаторах із загальним катодом.Відповідно запалювання сегментів здійснюється логічним “0”.

Позначення сегментів індикаторів наведено на рис. 4. Підключення сегментів до контактів мікросхеми EPF10K70 пояснюється таблицею 7.

Таблица 7. Семисегментні індикатори мікросхеми EPF10K20

 

Сегмент Контакти мікросхеми, підключені до першого знакомісця Контакти мікросхеми, підключені до другого знакомісця
a 6 17
b 7 18
c 8 19
d 9 20
e 11 21
f 12 23
g 13 24
Десятичная точка 14 25

 

Вихідний адаптер і роз’єм VGA-монітора

Адаптер монітора VGA дозволяє подавати сигнали з мікросхеми EPF10K70 на зовнішній монітор стандарту VGA.

Адаптер забезпечує перетворення рівнів логічних сигналів в стандартні рівні VGA і виконаний у вигляді діодно-резисторного ланцюга.

Для підключення VGA-монітора служить стандартний 15-ти контактний роз’єм, позначений написом VGA що включає контакти для передачі сигналів 3-х основних кольорів, а також сигнали кадрової і рядкової синхронізації.

Призначення контактів роз’єму VGA і їх підключення до мікросхеми EPF10K70 наведені в таблиці 8. Характеристика монітора VGA дана в додатку 2.

Таблица 8. Контакти роз’єма VGA

 

Сигнал Контакти роз’єма Виводи EPF10K20
RED 1 236
GREEN 2 237
BLUE 3 238
GND 6,7,8,10,11
HORIZ_SYNC 13 240
VERT_SYNC 14 239
не задіяний 4,5,9,15

 

Вхідний роз’єм PS/2-пристроїв “миша”, клавіатура

Для введення даних від зовнішніх PS/2-пристроїв (“миша”, клавіатура) в мікросхему EPF10K70 служить 6-контактний роз’єм типу Mini-Din, позначений написом Mouse. Через цей роз’єм по послідовному інтерфейсу від зовнішніх пристроїв передаються дані, а від плати UP2 на зовнішні пристрої – живлення.

Призначення та підключення контактів роз’єму наведено в таблиці 9.

Таблиця 9. Контакти роз’єма PS/2

 

Сигнал миші Mini-Din Pin Виводи EPF10K20
MOUSE_CLK 1 30
MOUSE_DATA 3 31
VCC 5
GND 2

 

Роз’єми розширення мікросхеми EPF10K20

Роз’єми розширення FLEX_EXPAN_AFLEX_EXPAN_B і FLEX_EXPAN_C служать для підключення до мікросхеми EPF10K70 сигналів вводу-виводу, глобальних сигналів, а також живлення та загального проводу. Розташування та нумерація контактів роз’єму показані на рис. 6.

Рис. 6. Роз’єми розширення мікросхеми EPF10K70 на платі UP2

Таблиця 10. Контакти роз’єма FLEX_EXPAN_A

 

Контакт
роз’єма
Сигнал/контакт
мікросхеми
Контакт
роз’єма
Сигнал/контакт
мікросхеми
1 RAW 2 GND
3 VCC 4 GND
5 VCC 6 GND
7 не задіяний 8 DI1/90
9 DI2/92 10 DI2/210
11 DI4/212 12 DEV_CLR/209
13 DEV_OE/213 14 DEV_CLK2/211
15 45 16 46
17 48 18 49
19 50 20 51
21 53 22 54
23 55 24 56
25 61 26 62
27 63 28 64
29 65 30 66
31 67 32 68
33 70 34 71
35 72 36 73
37 74 38 75
39 76 40 78
41 79 42 80
43 81 44 82
45 83 46 84
47 86 48 87
49 88 50 94
51 95 52 97
53 98 54 99
55 100 56 101
57 VCC 58 GND
59 VCC 60 GND

 

Таблиця 11. Контакти роз’єма FLEX_EXPAN_B

 

Контакт
роз’єма
Сигнал/контакт
мікросхеми
Контакт
роз’єма
Сигнал/контакт
мікросхеми
1 RAW 2 GND
3 VCC 4 GND
5 VCC 6 GND
7 не задіяний 8 DI1/90
9 DI2/92 10 DI2/210
11 DI4/212 12 DEV_CLR/209
13 DEV_OE/213 14 DEV_CLK2/211
15 109 16 110
17 111 18 113
19 114 20 115
21 116 22 117
23 118 24 119
25 120 26 126
27 127 28 128
29 129 30 131
31 132 32 133
33 134 34 136
35 137 36 138
37 139 38 141
39 142 40 143
41 144 42 146
43 147 44 148
45 149 46 151
47 152 48 153
49 154 50 156
51 157 52 158
53 159 54 161
55 162 56 163
57 VCC 58 GND
59 VCC 60 GND

 

Таблиця 12. Контакти роз’єма FLEX_EXPAN_C

 

Контакт
роз’єма
Сигнал/контакт
мікросхеми
Контакт
роз’єма
Сигнал/контакт
мікросхеми
1 RAW 2 GND
3 VCC 4 GND
5 VCC 6 GND
7 не задіяний 8 DI1/90
9 DI2/92 10 DI2/210
11 DI4/212 12 DEV_CLR/209
13 DEV_OE/213 14 DEV_CLK2/211
15 175 16 181
17 182 18 183
19 184 20 185
21 186 22 187
23 188 24 190
25 191 26 192
27 193 28 194
29 195 30 196
31 198 32 199
33 200 34 201
35 202 36 203
37 204 38 206
39 207 40 208
41 214 42 215
43 217 44 218
45 219 46 220
47 221 48 222
49 223 50 225
51 226 52 227
53 228 54 229
55 230 56 231
57 VCC 58 GND
59 VCC 60 GND

 

Контрольні запитання

  • Які значення можуть приймати змінні в алгебрі логіки? Які операції і відношення визначені в алгебрі логіки?
  • Скласти таблицю істинності для трьох входового логічного елемента І (входи – х3, х2, х1, вихід – у).
  • Скласти таблицю істинності для трьох входового логічного елемента АБО (входи – х3, х2, х1, вихід – у).
  • Скласти таблицю істинності для трьох входового логічного елемента І-НЕ (входи – х3, х2, х1, вихід – у).
  • Скласти таблицю істинності для трьох входового логічного елемента АБО-НЕ (входи – х3, х2, х1, вихід – у).
  • Скласти таблицю істинності для двох входового логічного елемента Викл.АБО (входи – х2, х1, вихід – у).
  • Записати функціонально повні системи логічних елементів. Наведіть їх умовні графічні позначення.
  • Визначення системи числення. У чому відмінність позиційної системи числення від непозиційної? Привести приклад.
  • Закінчіть тотожності для операції сума по mod 2:

    x0 = , x1 = , xx = , x =

  • Який з варіантів пріоритетності логічних операцій вірний?

    а) сума по mod 2, конюнкція, дизюнкція;

    б) дизюнкція, конюнкція, сума по mod 2;

    в) конюнкція, сума по mod 2, дизюнкція.

Варіанти завдань

 

1 !(!x1 & (x1 V x2))
2 !(!x1 & !(x1 V x2))
3 !x1 & !(x1 V x2)
4 !(!x1 & (x1 V !x2))
5 !x1 & (x1 V !x2)
6 !x1 & (x1 V x2)
7 x1 & (!x1 V !x2)
8 x1 & (!x1 V x2)
9 x1 & !(!x1 V x2)
10 x1 & !(!x1 V !x2)
11 x1 V !(!x1 & !x2)
12 x1 V !(!x1 & x2)
13 !(x1 V !(!x1 & !x2))
14 !(x1 V !(!x1 & x2))
15 x1 V (!x1 & !x2)
16 x1 V (!x1 & x2)
17 !(x1 V (!x1 & !x2))
18 !(x1 V (!x1 & x2))
19 !x1 V (x1 & !x2)
20 !x1 V (x1 & x2)
21 !(!x1 V (x1 & !x2))
22 !(!x1 V (x1 & x2))
23 !(!x1 V !(x1 & x2))
24 !(!x1 V !(x1 & !x2))

 

Примітка: В якості входу/виходу схеми вибрати довільні кнопки/світлодіоди (див. опис відлагоджувального лабораторного макетаUP2).


Комментарии: