Entwurf digitaler Schaltungen (F1)

Entwurf digitaler Schaltungen (F1)
Einführung
Prof. G. Kemnitz
Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal
20. April 2015
Prof. G. Kemnitz
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Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal
20. April 2015
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Was ist Technische Informatik
Zwei relativ selbständige Gebiete:
die technischen Anwendungen der Informatik
informationstechnische Erfassung, Modellierung und
Steuerung technischer Systeme
die technische Basis der Informatik
Digitaltechnik: Modellierung, Simulation, Entwurf und Test
digitaler Schaltungen
Die LV Entwurf digitaler Schaltungen legt die Grundlagen für
den zweiten Teil. Lernziele: Verständnis und praktische
Fertigkeiten für die Funktionsweise, Modellierung und den
Entwurf digitaler Schaltungen
Voraussetzung imperative Programmierung (C, Pascal o.ä.)
Prüfung schriftlich
Hausübungen
begleitende Laborübungen
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Transistoranzahl
Digitale Systeme sind groÿ
109
108
107
106
105
104
103
Six Core Core i7
Zunahme der TransistorCore 2 Duo
anzahl in Prozessoren
Pentium 4
(Verdopplung alle
2 Jahre)
Pentium
80486
80386
8086
Z80
Einführungsjahr
4004
1970
1980
1990
2000
2010
Nach dem Moorschen Gesetz verdoppelt sich die Transistoranzahl
digitaler Schaltungen alle 2 Jahre. Die gröÿten derzeit gefertigten
Schaltkreise enthalten über eine Milliarde Transistoren.
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Wenn es die Möglichkeit gibt, innerhalb weniger Jahre
funktionierende digitale Schaltungen mit 109 Transistoren zu
entwickeln, herzustellen und in Betrieb zu nehmen, sollte es für
einen angehenden Bachelor of Engineering möglich sein,
funktionierende Schaltungen aus einigen Hundert bis Tausend
Gattern zu verstehen, zu entwerfen und auszuprobieren.
Wie beherrscht man so groÿe Entwürfe?
rechnergestützt, teilautomatisiert,
hierarchisch, mit gut abgestimmten Bausteinkonzepten.
Bausteinsysteme für den Baugruppenentwurf:
Standardschaltkreise,
Rechnerschaltkreise,
programmierbare Logikschaltkreise sowie
Sensoren und Ansteuereinheiten für Aktoren mit digitalen
Ein- und Ausgängen, die direkt oder über Anpassungsschaltkreise an das digitale System anschlieÿbar sind.
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Aufbau der Vorlesung
Thema 1: Zwei einführende Beispiele
traditioneller Entwurf mit Standardschaltkreisen und
ein vergleichbarer Entwurf in einer Hardware-Beschreibungssprache und einem programmierbaren Logikschaltkreis.
Lernziel:
Der traditionelle Entwurf ist ein Zusammenfügen passgerechter Bausteine nach einfachen Regeln, überwiegend
Fleiÿarbeit. Der Hauptaufwand entfällt wie bei der
Software-Entwicklung auf Test und Fehlersuche.
Der moderne Digitalentwurf funktioniert fast genauso wie
die Software-Entwicklung. Beschreibung der Zielfunktion in
einer Programmiersprache. Simulation auf dem Rechner.
Prototyp-Fertigung ähnlich wie die Programmierung von
Mikrorechnern.
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Thema 2: Handwerkszeug Teil 1:
Simulation mit VHDL,
synthesegerechte Beschreibung,
Logikoptimierung und
Rechenwerke.
Lernziele:
Einführung in VHDL, ereignisgesteuerte Simulation
kombinatorischer und getakteter Schaltungen, Testrahmen.
Synthesegerechte Beschreibung, Optimierung auf
Hochsprachenniveau und typische Beschreibungsfehler.
Optimierungsziele. Bleistift-und-Papier-Optimierung mit
KV-Diagrammen. Das klassische Verfahren von Quine und
McCluskey sowie die modernen Optimierungsmethoden mit
geordneten binären Entscheidungsdiagrammen.
Rechenwerke: Aufwands- und geschwindigkeitsoptimierte
Schaltungen für die Addition, Subtraktion, Multiplikation,
Vergleicher und Block-Shifter.
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Thema 3: Handwerkszeug Teil 2:
Automaten,
Operationssteuerungen,
Zeitverhalten und
asynchrone Eingabe.
Lernziele:
Beschreibung von Abläufen mit Automaten. Schaltungsentwurf für Automaten mit KV-Diagrammen. Beschreibung von
Automaten in VHDL. Umgang mit redundanten Zuständen.
Erweiterung des Automatenmodells um die Steuerung und
Auswertung von Register-Transfer-Operationen. Sequentiell
arbeitende Rechenwerke.
Modellierung und Kontrolle von Zeitbedingungen.
Robuste Datenübernahme von Schaltern, Tastern und
Systemen mit nicht ausgerichtetem Takt.
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Thema 4: Vom Transistor zum Logikbaustein
Aufbau und Funktionsweise von MOS-Transistoren, Gattern,
Speicherzellen, Latches, Registern, RAM, ROM, Flash bis
hin zu programmierbaren Logikschaltkreisen.
Lernziel:
Grundvorstellung der inneren Funktion digitaler Bausteine.
Lösen einfacher Entwurfsaufgaben auf Transistorebene.
Einschätzung der Realisierbarkeit, des Aufwands, der
Geschwindigkeit und des Stromverbrauchs digitaler Systeme.
Thema 5: Komplexe Entwürfe
Dafür erforderliche weitere VHDL-Beschreibungsmittel,
Schrittweiser Entwurf
einer seriellen Schnittstelle,
eines Cordic-Rechenwerks (Sinus, Kosinus, ...) und
eines Spezialrechners für FIR-Filter (Signalverarbeitung).
Lernziele:
Festigung der zuvor vermittelten Lehrinhalte an Beispielen.
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Inhalt des Foliensatzes
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
2.2
2.3
2.4
Standardschaltkreise
Beispielentwurf
Test
Schaltungen mit Registern
Leiterplattenentwurf
Aufgaben
VHDL + FPGA
Einfache Gatterschaltung
Zähler und Ampelsteuerung
Simulation
Aufgaben
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1. Standardschaltkreise
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Standardschaltkreise
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1. Standardschaltkreise
Aufbau und Schaltplan einer digitalen Schaltung
Inverter, Schmitt-Trigger (Schwellwertschalter mit Hyterese)
Steckverbinder
Taster
Kondensator
Widerstand
(US-Symbol)
Das Beispiel zeigt ein Foto und einen Ausschnitt aus dem
Schaltplan einer Mikrorechneransteckbaugruppe für unsere
Mikrorechnerversuchsbaugruppen im Labor mit vier Tastern.
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1. Standardschaltkreise
UM
Dir En Motorspannung UM
0V
0
UVM
0 1
−UVM
1 1
Sensorsign.
UVM
Der H-Brückenschaltkreis bildet aus den Steuersignalbelegungen
von EN (Enable, Freigabe) und Dir (Direction, Richtung) vom
Mikrocontroller die Spannung für den Motor. Die beiden Inverter
invertieren die vom Motor kommenden Sensorsignale und passen
die Pegel für null und eins an die vom Mikrorechner erwarteten
an.
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1. Standardschaltkreise
Logikfamilie
Schaltkreise mit unterschiedlichen Logikfunktionen, gleicher
Herstellungsprozess, gleiche Schaltungstechnik mit ähnlichen
elektrischen und mechanischen Eigenschaften, die sich problemlos
kombinieren lassen. Am verbreitetsten war die 74...-Serie.
Schaltungstechnik TTL (Transistor-Transistor-Logik) heute
veraltet. Ein Nachfolger 74HC... CMOS, Bezeichnungen und
Anschlusswerte kompatibel zur 74er-Serie.
74HC00 4
74HC02 4
74HC04 6
74HC08 4
74HC10 3
74HC11 3
74HC14 6
Trigger
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×
×
×
×
×
×
×
·
NAND2
NOR2
Inverter
AND2
NAND3
AND3
Inverter Schmitt
74HC20 2 × NAND4
74HC30 1 ×NAND8
74HC32 4 ×OR2
74HC74 2 ×D-Flipop
74HC75 4 × Latch
74HC86 4 × EXOR
74HC174 6-Bit-Register
...
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1. Standardschaltkreise
74HC00: 4 × NAND2
UV B4 A4 Y4 B3 A3 Y3
14
13
12
11
10
&
2
8
14
4
5
6
7
74HC174: 6 Bit-Register mit Taktund Rücksetzeingang
10
1
UV Versorgungsspannung
Masse
2
9
8
=1
=1
3
4
5
6
7
A1 B1 Y1 A2 B2 Y2
U V D6 Q6 D5 Q5 D4 Q4
16
15
Funktion:
Bei R̄ = 0 werden alle 6 Speicherzellen gelöscht: Qi = 0
sonst bei steigender Flanke an T
Übernahme Qi ← Di
sonst speichern
·
11
=1
&
3
12
=1
A1 B1 Y1 A2 B2 Y2
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13
&
&
1
9
74HC86 4 × EXOR
UV B4 A4 Y4 B3 A3 Y3
1
2
14
13
12
11
D
R
D
R
D
R
R
D
R
D
R
D
3
4
5
6
T
10
9
7
8
R̄ Q1 D1 D2 Q2 D3 Q3
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1. Standardschaltkreise
Elektrische Eigenschaften
Testschaltung
Signalverzögerung
Übertragungsfunktion
Ue
UOH
UV
&
Ue
UOH
UIH
UOL
UIL
Ua
Ua
UOL
Ua
UIL UIH Ue
td
minimale Spannung für eine 1 am Ausgang
minimale Spannung für eine 1 am Eingang
maximale Spannung für eine 0 am Ausgang
maximale Spannung für eine 0 am Eingang
Typische elektrische
Eigenschaften der
74HC-Familie
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·
UV
2V
4,5 V
6V
UOH
1,9 V
4,4 V
5,9 V
UIH
1,5 V
3,2 V
4,2 V
UIL
0,5 V
1,4 V
1,8 V
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td
t
UV Versorgungsspannung
td Verzögerungszeit
UOL
0,1 V
0,1 V
0,1 V
td
100 ns
20 ns
16 ns
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1. Standardschaltkreise
Untersuchung einer Beispielschaltung
UV = 3...5 V
C
R1
R2
&
&
BT1 BT2
a
&
&
b
R3
c
LD1
R4
d
LD2
1 × 74HC00
2 Taster
R1 , R2 Pullup-Widerstände 10...100 kΩ
R3 , R4 LED-Vorwiderstände 50...200 Ω
C
Stützkondensator
LD.. Leuchtdioden
2...10 mA bei
UF = 1, 5...2, 5 V
Was passiert, wenn man die Taster nacheinander wie folgt drückt:
BT1
BT2
a
b
c
d
LD1
LD2
aus
an
aus
aus
aus
aus
aus
an
0
1
1
0
aus
an
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1. Standardschaltkreise
Einige wichtigste Regeln für den Entwurf
Alle Versorgungsanschlüsse aller Schaltkreise mit
UV = 2...6 V und alle Masseanschlüsse mit Masse verbinden.
Stützkondensator von 10/100nF zwischen UV - und
Masseanschluss der Schaltkreise.
Ein Ausgang kann mehrere Eingänge oder eine Low-Current
LED treiben.
LEDs brauchen immer einen Vorwiderstand zur
Strombegrenzung.
Ungenutzte Eingänge nicht oen lassen, sondern mit UV
oder Masse verbinden.
Ausgänge nie miteinander, mit UV oder Masse verbinden.
Wenn Eingangsspannungen > UV oder < 0 nicht
ausschlieÿbar sind, bei Eingabe über Stecker, 100Ω
Schutzwiderstand in Reihe schalten.
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1. Standardschaltkreise
Prof. G. Kemnitz
1. Beispielentwurf
Beispielentwurf
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1. Standardschaltkreise
Entwurf einer Zählfunktion
1. Beispielentwurf
Aufgabe sei der Entwurf eines 4-Bit-Zählers aus Gattern und
einem 4-Bit-Register. Schaltungsentwurf für die Zähloperation:
Zähloperation
x3 x2 x1 x0
+
c0
y3 y2 y1 y0
x0
y0 x 1
=1
c0
&
+
y1
=1
c1
&
für jedes Bit
Wertetabelle
xi ci ci+1 si
0 0
0 0
0 1
0 1
1 0
0 1
1 1
1 0
Beispiel
x2
1011
1
1100
y2
=1
c2
&
x3
y3
xi
=1
c3
&
c4
Schaltung
=1
yi
ci
Erfordert einen 74HC08 (4×AND2) und einen 74HC86
(4×EXOR).
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&
ci+1
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1. Standardschaltkreise
Platzierung und Verdrahtung
x2
74HC08
14
13
12
x3 c4
11
10
9
8
UV
14
13
&
&
UV
y2
74HC86
12
11
y3
10
9
8
UV
&
1
1. Beispielentwurf
2
c0 x0
=1
&
3
4
5
x1
=1
=1
6
7
1
2
=1
3
4
y0
5
6
7
y1
Anordnung auf einem Steckbrett. Blau gesteckte Drahtbrücken,
rot Stützkondensatoren. Eingerahmte Punkte sind verbunden.
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1. Standardschaltkreise
Prof. G. Kemnitz
2. Test
Test
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1. Standardschaltkreise
Schaltungsaufbau mit Electronics Explorer
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2. Test
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1. Standardschaltkreise
Testen
statischer Test
UV
···
Testobjekt
···
2. Test
dynamischer Test
UV
SignalTestgenera· · · objekt · · ·
tor
Logikanalysator
Ein statischer Test legt die logischen Eingaben über Schalter oder
Steckbrücken an und prüft die Ausgabewerte mit Leuchtdioden
oder einem Multimeter. Kontrolliert wird die Funktion nach der
Wertetabelle. Bei einem dynamischen Test werden die Eingaben
in Echtzeit von einem Signalgenerator erzeugt und die Ausgabe
mit einem Logikanalysator aufgezeichnet. Dabei werden
zusätzlich die Signalverzögerungen kontrolliert.
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1. Standardschaltkreise
Statischer Test
2. Test
Der Explorer kann über die Oberäche Static IO unterschiedliche Ein- und Ausgabeelemente für den statischen Test
nachbilden: Leuchtdioden, Schalter, Taster, 7-Segment-Anzeige ...
c4
y3
y2
y1
y0
x3
x2
x1
x0
c0
Der Test der Beispielschaltung erfordert fünf Schalter als Eingabe
und fünf Leuchtdioden als Ausgabe. Damit ist eine Stichprobe
der Zeilen aus der Wertetabelle zu überprüfen. Erkannte Fehler
sind zu beseitigen.
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1. Standardschaltkreise
Dynamischer Test
2. Test
Für den dynamischen Test sind über die Bedienoberäche
Generator die Anschlusszuordnung und die Signalverläufe für
die Eingabe festzulegen.
Im Beispiel bilden die Eingänge x0 bis x3 einen Bus und c0 ist ein
Einzelsignal. Für alle Eingangssignale ist eingestellt 10 MHz
und Zufallssignale. Nach Konguration starten mit Run.
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1. Standardschaltkreise
Ergebnisaufzeichnung mit Logikanalysator
2. Test
Ein Logikanalysator zeichnet digitale Abtastwerte auf. Erforderliche Einstellungen: abzutastende Signale, Abtastfrequenz,
Trigger (Bedingung
für den Aufzeichnungsbeginn), ...
·
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1. Standardschaltkreise
2. Test
Im Beispiel werden alle Ein- und Ausgangssignale mit 100 MHz,
d.h. mit 10 Werten je Eingabeänderung aufgezeichnet. Damit sind
Verzögerungen mit einer Auösung in 10ns-Schritten erkennbar.
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1. Standardschaltkreise
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3. Schaltungen mit Registern
Schaltungen mit Registern
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1. Standardschaltkreise
Schaltungen mit Registern
3. Schaltungen mit Registern
Ein Register besitzt i.Allg. einen Initialisierungs-, einen Datenund einen Takteingang. Wenn das Signal am Initialisierungseingang aktiv ist (im Bild I = 1), Übernahme eines
Anfangswertes, meist null. Sonst bei aktiver Taktanke (hier
steigender) Datenübernahme, sonst speichern.
x
I
T
x
I
T
y
y
I
Dateneingang
Initialisierungseingang
Takteingang
Datenausgang
T
1
0
I
1
0
x
y
1
0
1
0
unbestimmt
beliebig
Mit Registern werden Schaltungen mit Gedächtnis realisiert, die
ihre Folgezustände und Ausgaben aus der Eingabe und dem
aktuellen Zustand bilden.
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1. Standardschaltkreise
Vom bisherigen Entwurf zum Zähler
3. Schaltungen mit Registern
Auf der Register-Transfer-Ebene besteht ein Zähler aus dem
bisher entworfenen
4
x
+
Rechenwerk für +c0 c0
und einem 4-Bit-Register mit
I
I
Takt- und Initialisierungseingang.
T
T
I
c0
x
y
y
1
0
1
0
1
0
0100
0100
0000
0001 0010 0011 0100 0101 0101 0110
0000
0001 0010 0011 0100 0100 0101
Als 4-Bit-Register eignet sich z.B. der Schaltkreis 74HC174, der
ein 6-Bit-Register mit Takt- und Initialisierungseingang enthält.
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30/74
1. Standardschaltkreise
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4. Leiterplattenentwurf
Leiterplattenentwurf
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31/74
1. Standardschaltkreise
Beispielschaltplan in Eagle
4. Leiterplattenentwurf
zwei Schaltkreise, einer mit 4 NAND2 und einer mit 4 EXOR
Stecker mit 3 Eingängen, 2 Ausgängen,
Versorgungsspannung und Masse
Stützkondensatoren bei der Platzierung, unmittelbar an den
Schaltkreisen anzuordnen.
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32/74
1. Standardschaltkreise
Platzierung
4. Leiterplattenentwurf
Nach Wechsel von Bauteile platziert. Die braunen Linien
der Schaltung- zur sind noch anzuordnende Verbindungen
Geometrieansicht.
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33/74
1. Standardschaltkreise
Verdrahtung
4. Leiterplattenentwurf
(blau Unterseite, rot Oberseite; grün Lötaugen, bei
zweiseitigen Leiterplatten mit Durchkontaktierungen (Vias)).
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1. Standardschaltkreise
Zusammenfassung
4. Leiterplattenentwurf
Der traditionelle Digitalentwurf bildet die Zielfunktion aus
Schaltkreisen nach. Zusammenfügen passgerechter Bausteine
nach einfachen Regeln, ist überwiegend Fleiÿarbeit. Der
Hauptaufwand entfällt wie bei der Software-Entwicklung auf
Inbetriebnahme, Test und Fehlersuche.
Auÿer mit Gattern und Registern gibt es auch höher integrierte
Schaltkreise mit
Zählern, Schieberegistern, Multiplexern,
Rechenwerken, Rechnerbausteine, Prozessoren, ...
Als es noch Stand der Technik war, Schaltungen aus solchen
Bausteinen zusammen zu setzen, hatte sich eine Vorlesung zum
Entwurf von Digitalschaltungen ab hier weiter mit den
Funktionen dieser quasi Standardbausteine und ihrer Erweiterung
zu gröÿeren Systeme befasst.
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1. Standardschaltkreise
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5. Aufgaben
Aufgaben
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1. Standardschaltkreise
Aufgabe 1.1: Ausfüllen der Wertetabelle
5. Aufgaben
Gegeben ist die nachfolgende Schaltung. Füllen Sie die
Wertetabelle rechts daneben aus.
x1
&
z4
&
z5
z1
x2
z2
x3
Prof. G. Kemnitz
&
z3
·
&
y
x3
0
0
0
0
1
1
1
1
x2
0
0
1
1
0
0
1
1
x1
0
1
0
1
0
1
0
1
z5 z4 z3 z2 z1
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y
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1. Standardschaltkreise
Aufgabe 1.2: Signalverläufe bestimmen
&
x
I
T
5. Aufgaben
y1
z1
≥1
z2
y2
I
I
unbestimmt
beliebig
T
1
0
I
1
0
x
1
0
z1
1
0
z2
1
0
y1
1
0
y2
1
0
Ergänzen Sie die Signalverläufe für z1 ,z2 , y1 und y2 .
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38/74
1. Standardschaltkreise
Aufgabe 1.3: Verdrahtungen
5. Aufgaben
Die Schaltung aus Aufgabe 1.1 soll mit je einem Schaltkreis vom
Typ 74HC00 und 74HC10 aufgebaut werden. Entwickeln Sie eine
Schaltplan und tragen Sie in die nachfolgende Tabelle die
Signalnamen ein, an die die Schaltkreisanschlüsse in der
Schaltung anzuschlieÿen sind.
74HC00
UV B4 A4 Y4 B3 A3 Y3
14
13
12
11
10
&
2
2
UV C1 Y1 C3 B3 A3 Y3
14
13
12
11
10
&
3
4
5
3
4
9
8
6
7
&
&
&
6
A1 B1 Y1 A2 B2 Y2
1
74HC10
8
&
&
1
9
5
7
6
1
2
3
4
5
A1 B1 A2 B2 C2 Y2
7
8
9
10
11
12
13
14
74HC00
74HC10
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2. VHDL + FPGA
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VHDL + FPGA
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2. VHDL + FPGA
Hardware-Programmierung
Heutiger Stand der Technik für den Entwurf digitaler
Schaltungen ist die Beschreibung der Zielfunktion in einer
Hardware-Beschreibungssprache. Simulation auf dem Rechner.
Prototyp-Fertigung mit programmierbaren Logikschaltkreisen
(FPGA eld programmable logic circuits). FPGAs bestehen aus
programmierbaren Logikblöcken,
programmierbaren EA-Schaltungen,
einem programmierbaren Verbindungsnetzwerk und
optional weiteren kongurierbaren Schaltungsblöcken, z.B.
Blockspeichern, Multiplizierern, Taktversorgung (Taktteiler
und -vervielfacher, Zeitversatzkorrektur) und
Prozessorkernen.
Programmierung ähnlich wie bei Mikrorechnern über eine serielle
Programmierschnittstelle (JTAG, ISP,...). Programmierdauer
wenige Minuten.
Prof. G. Kemnitz
·
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20. April 2015
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2. VHDL + FPGA
Prototyp-Plattform für die Laborübungen
IO
PLB
PLB
PLB
PLB
IO
IO
PLB
IO
Prof. G. Kemnitz
programmierbarer
Logikblock
programmierbares
Verbindungsnetzwerk
programmierbare Eingabe-Ausgabe-Schaltung
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2. VHDL + FPGA
Das verwendete Prototypboard hat
einen programmierbaren Schaltkreis für Schaltungen, die mit
normalen Schaltkreisen bis zu 106 Gatter umfassen können,
50MHz Quarztakt, 8 Leuchtdioden, 4 7-Segment-Anzeigen,
8 Schalter, 4 Taster, 1MB SRAM,
Anschlüsse für PS2, UART und VGA.
Ausreichend für alles, was im Studium vermittelbar ist.
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2. VHDL + FPGA
Prof. G. Kemnitz
1. Einfache Gatterschaltung
Einfache Gatterschaltung
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2. VHDL + FPGA
Einprogrammieren von Logikfunktionen
1. Einfache Gatterschaltung
Schalter
SW0
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
SW7
programmierbarer Schaltkreis
F12
G12
H14
H13
J14
J13
K14
K13
Leuchtdioden
&
K12
LD0
&
P14
LD1
≥1
L12
LD2
=1
N14
LD3
Im ersten Beispiel sollen vier Gatter so einprogrammiert werden,
dass die Eingänge von Schaltern steuer- und die Ausgänge mit
LEDs beobachtbar sind. Die Kästchen mit F12 etc. sind die
Bezeichner der Schaltkreisanschlüsse, an denen die Schalter und
LEDs auf der Baugruppe angeschlossen sind.
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2. VHDL + FPGA
1. Einfache Gatterschaltung
Eine VHDL-Beschreibung besteht aus Schnittstellenbeschreibung:
entity Gatterschaltung is
port(sw: in std_logic_vector(7 downto 0);
led: out std_logic_vector(3 downto 0));
end entity;
und einer Beschreibung der Realisierung
architecture test of Gatterschaltung is
begin
SW0
F12
led(0) <= sw(0) and sw(1); SW1 G12
led(1) <= sw(2) nand sw(3); SW2 H14
led(2) <= sw(4) or sw(5);
SW3
H13
led(3) <= sw(6) xor sw(7);
SW4
J14
end architecture;
SW5
J13
SW6
&
K12
LD0
&
P14
LD1
≥1
L12
LD2
K14
LD3
=1
N14
Die Schnittstelle deniert für die
SW7
K13
Anschlüsse Bezeichner, Flussrichtungen (Ein-/Ausgang) und Datentyp. In der Realisierung
stehen im Beispiel Zuweisungen logischer Verknüpfungen von
Eingabesignalen an Ausgabesignale.
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·
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2. VHDL + FPGA
Entwurf
1. Einfache Gatterschaltung
Projekt anlegen, einige Kongurationen vornehmen, ...
Beschreibung eingeben, Syntaxtest, optional Simulation, ...
Übersetzen (Synthesize bis Congure Target Device)
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2. VHDL + FPGA
Das Constraint-File
1. Einfache Gatterschaltung
Die Constraint-Datei enthält alle zusätzlichen Informationen zur
Vorgabe der Zielfunktion, die nicht in der VHDL-Datei stehen:
die Pin-Namen der Schaltungsanschlüssen (s.o.), Taktfrequenz,
obere und untere Schranken für Verzögerungen, ...
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2. VHDL + FPGA
Synthese
1. Einfache Gatterschaltung
Berechnung einer Schaltung aus der VHDL-Beschreibung. Im
Beispiel ist das trivial, weil die Schaltung nur aus vier Gattern
besteht. Für gröÿere Entwürfe wird die Zielfunktion mit
Bitvektoren, arithmetischen Operatoren, Fallunterscheidungen,
Unterprogrammen, ... beschrieben. Die Synthese muss daraus die
logischen Funktionen extrahieren, optimieren, mit
Teilschaltungen nachbilden, ...
x0 x1 ∧ ∧ ∨ ⊕
Unser programmierbarer Schaltkreis hat
0 0 0 1 0 0
statt Gatter als logische Grundbausteine
0 1 0 0 1 1
1 0 0 0 1 1
Tabellenfunktionen (LUT Look-Up Table,
1 1 1 0 1 0
kleine programmierbare Speicher).
An den Anschlüssen werden Buer eingefügt, die die internen
kleineren Spannungspegel (0/1V) auf die gröÿeren Anschlusspegel
(0/2,5...3,3V) umsetzen.
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2. VHDL + FPGA
sw(7:0)
Prof. G. Kemnitz
I
ibuf
O
sw 0 IBUF
I
I
ibuf
O
sw 1 IBUF
ibuf
O
sw 2 IBUF
I
I
ibuf
O
sw 3 IBUF
ibuf
O
sw 4 IBUF
I
I
ibuf
O
sw 5 IBUF
ibuf
O
sw 6 IBUF
I
·
ibuf
O
sw 7 IBUF
1. Einfache Gatterschaltung
O
I1
I0
lut2
I
obuf
O
led(3:0)
led 0 obuf
led 0 annd00001
I1
I0
O
lut2
I
obuf
O
led 1 obuf
led 1 not00001
O
I1
I0
lut2
I
obuf
O
led 2 obuf
led 2 or00001
O
I1
I0
lut2
I
obuf
O
led 3 obuf
Mxor led<3> Result1
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lut programmierte
Tabellenfunktion
(look-up table)
ibuf Eingangstreiber
(input buffer)
obuf Ausgangstreiber
(output buffer)
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2. VHDL + FPGA
Verdrahtung
1. Einfache Gatterschaltung
Prof. G. Kemnitz
BRAM
VN
LUTs
Nach der Synthese folgt die Platzierung der einzelnen
Funktionsblöcke und ihre Verdrahtung. Ein FPGA besteht aus
kongurierbaren Funktionsblöcken (LUTs), EA-Schaltungen,
Multiplizierern, Blockspeichern (BRAM),... und programmierbare
Verbindungsnetzwerken (VN).
sw(4)
sw(5)
led(2)
EA
sw(2)
·
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2. VHDL + FPGA
1. Einfache Gatterschaltung
Ein vergröÿerter Ausschnitt mit dem Logikblock, in den das
EXOR-Gatter programmiert ist, und den beiden
Eingangstreibern vor dem EXOR. Handverdrahtung ist möglich,
aber nicht zu empfehlen.
Pin sw(6)
mit ibuf
LUT mit EXOR-Funktion
Leitung zu
led(3)
progr.
Verbindungsnetzwerk
spezielle Signalleitungen
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·
progr.
Verbindungsnetzwerk
Pin sw(7)
mit ibuf
allgemeine Signalleitungen
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2. VHDL + FPGA
Komplexere Gatterschaltungen
1. Einfache Gatterschaltung
Die Inkrementoperation
c4 y = x + c0
(x, y 4-Bit-Vektoren) lässt sich mit derselben Schaltung wie auf
Folie 19 implementieren:
x0
y0 x 1
=1
c0
&
y1
=1
c1
&
x2
y2
x3
=1
c2
&
=1
c3
entity Increment4Bit is
port(cin: in std_logic;
x: in std_logic_vector(3 downto 0);
y: out std_logic_vector(3 downto 0);
cout: out std_logic);
end entity;
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·
y3
&
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c4
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2. VHDL + FPGA
x0
y0 x 1
=1
c0
&
1. Einfache Gatterschaltung
y1
=1
c1
&
x2
y2
=1
c2
&
x3
y3
=1
c3
&
c4
architecture Gatter_Arch of Increment4Bit is
signal c: std_logic_vector(4 downto 0);
begin
c(0) <= cin;
y(0) <= x(0) xor c(0); c(1) <= x(0) and c(0);
y(1) <= x(1) xor c(1); c(2) <= x(1) and c(1);
y(2) <= x(2) xor c(2); c(3) <= x(2) and c(2);
y(3) <= x(3) xor c(3); c(4) <= x(3) and c(3);
cout <= c(4);
end architecture;
Neu benutzte Konstrukte: Bitvektoren und Signale für interne
Verbindungen.
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2. VHDL + FPGA
1. Einfache Gatterschaltung
Die vier bis auf die Indizes gleichen Zeilen können auch zu einer
Schleife zusammengefasst werden. Das ist keine Ablaufschleife,
deren Anweisungen im Schleifenkörper hintereinander mit dem
Index 0 bis 3 abgearbeitet werden, sondern eine
Generierungsschleife, die bei der Übersetzung durch je eine
Anweisungspaar für jeden Indexwert ersetzt wird.
architecture Gen_Arch of Increment4Bit is
signal c: std_logic_vector(4 downto 0);
begin
c(0) <= cin;
genHA: for i in 0 to 3 generate
y(i) <= x(i) xor c(i); c(i+1) <= x(i) and c(i);
end generate;
cout <= c(4);
end architecture;
Die Schleifenvariable einer Generierungsschleife braucht keine
explizite Deklaration und die Iterationsgrenzen müssen zum
Übersetzungszeitpunkt bekannt sein.
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2. VHDL + FPGA
1. Einfache Gatterschaltung
Noch einfacher ist theoretisch die Beschreibung mit dem
Additionsoperator:
use ieee.numeric_std.all;
...
architecture Num_Arch of Increment4Bit is
signal sum: unsigned(4 downto 0);
begin
sum <= ('0' & x) + cin;
y <= sum(3 downto 0);
cout <= sum(4);
end architecture;
Anmerkungen:
Das Package ieee.numeric_std deniert unsigned und den
Additionsoperator dafür.
x, y müssen hier vom unsigned(3 downto 0) und cin vom Typ
unsigned(0 downto 0) sein. Erfordert Typumwandlungen.
'0' & ... hängt an a zur Verlängerung auf 5 Bit eine
führende null an. Erforderlich für Übertragsberechnung.
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2. VHDL + FPGA
Prof. G. Kemnitz
2. Zähler und Ampelsteuerung
Zähler und Ampelsteuerung
·
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2. VHDL + FPGA
Zähler als Taktteiler
2. Zähler und Ampelsteuerung
z24
z25
z26
+1
z
32
z27
z28
z29
z30
GCLK0
T9
z31
K12
P14
L12
N14
P13
N12
P12
P11
led(0)
led(1)
led(2)
led(3)
led(4)
led(5)
led(6)
led(7)
(50 MHz)
An Pin T9 liegt auf der Baugruppe der 50MHz-Takt an. Dieser
soll mit einem 32-Bit-Zähler gezählt und die höchstwertigen 8 Bit
auf LEDs ausgegeben werden. Jedes Zählbit halbiert den Takt:
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·
f (zi ) = 50 MHz · 2−(i+1)
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2. VHDL + FPGA
2. Zähler und Ampelsteuerung
programmierter Schaltkreis
z24
z25
z26
+1
Takteingang
Prof. G. Kemnitz
32
z27
z28
z29
z30
T9
GCLK0
GCLK0
z0
z1
z2
z3
z
z31
K12
P14
L12
N14
P13
N12
P12
P11
Leuchtdioden
led(0)
led(1)
led(2)
led(3)
led(4)
led(5)
led(6)
led(7)
tP = f1
0,67 s
1,34 s
2,68 s
5,37 s
10,7 s
21,5 s
43,0 s
83,9 s
50 MHz
25 MHz
12,5 MHz
6,25 MHz
3,125 MHz
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
·
f
1,5 Hz
745 mHz
373 mHz
186 mHz
93 mHz
47 mHz
23 mHz
11 mHz
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2. VHDL + FPGA
2. Zähler und Ampelsteuerung
Schnittstellenbeschreibung:
entity Taktteiler is
port(GCLK0: in std_logic;
led: out unsigned(7 downto 0));
end entity;
Beschreibung der Realisierung:
architecture test of Taktteiler is
signal z: unsigned(31 downto 0);
begin
process(GCLK0)
begin
if rising_edge(GCLK0) then
z24
z25
z <= z + 1;
end if;
end process;
-- Ausgabefunktion
led <= z(31 downto 24);
end architecture;
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·
z26
+1
z
32
z27
z28
z29
z30
T9
z31
K12
P14
L12
N14
P13
N12
P12
P11
led(0)
led(1)
led(2)
led(3)
led(4)
led(5)
led(6)
led(4)
GCLK0
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2. VHDL + FPGA
2. Zähler und Ampelsteuerung
Die Beschreibungsschablone für eine Register-Transfer-Funktion
ist ein Prozess1 mit dem Takt in der Weckliste2 (hier CCLK0)
und Signalzuweisungen nur bei aktiven Taktanke:
process(GCLK0)
begin
if rising_edge(GCLK0) then
z <= z + 1;
end if;
end process;
32
z
8
+1
led
GCLK0
Die Beschreibungsschablone einer einfachen kombinatorischen
Schaltung, hier die Verbindung der Registerausgänge mit den
Schaltkreis- ausgängen zu den LEDs, bleiben weiterhin
nebenläuge Signalzuweisungen ohne Prozessrahmen:
led <= z(31 downto 24);
Prozess ist ein Rahmen, in dem die Anweisungen bei der Simulation
imperativ, d.h. wie bei einem normalen Programm hintereinander, statt
nebenläug abgearbeitet werden.
2
Signalliste hinter process, deren Wertänderungen den Prozess wecken.
1
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61/74
2. VHDL + FPGA
2. Zähler und Ampelsteuerung
Die meisten Register-Transfer-Funktionen haben eine asynchrone
Anfangsinitialisierung für die Reset-Funktion des Gesamtsystems.
Bei dieser steht zusätzlich zum Takt das Initialisierungssignal in
der Weckliste. Wenn es aktiv ist (im Beispiel bei I='1')
übernimmt das Register eine Konstante (im Beispiel alles null).
Alle anderen Signalzuweisungen nur bei inaktivem
Initialisierungssignal und aktiver Taktanke:
process(I, GCLK0)
begin
if I='1' then
z <= (others=>'0')3 ;
elsif rising_edge(GCLK0) then
32
z
8
+1
I
led
I
GCLK0
z <= z + 1;
end if;
end process;
Das ist eine Zuordnungsliste, die allen anderen Bits, den der Wert nicht
explizit zugeordnet wird, z.B. mit 0=>'1' der Wert '0' zugeordnet.
3
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2. VHDL + FPGA
Erweiterung zu einer Ampelsteuerung
2. Zähler und Ampelsteuerung
z24
+1
GCLK0
T9
z
32
z(28...25)
0000
0001
0010
0011
0100
...
Autos
gelb
gelb
grün
grün
grün
...
Fussg.
rot
rot
rot
rot
rot
...
K12
led(0)
N14
P13
N12
P12
P11
led(3)
led(4)
led(5)
led(6)
led(7)
Komplexere kombinatorische Funktionen werden durch Prozesse
mit allen Eingabesignalen in der Weckliste beschrieben, die bei
bei jedem Aufwecken alle Ausgabesignale neu berechnen:
process(z)
begin
led(0) <= z(24);
-- Ausgabe von z24 auf eine LED
<Beschreibung der Tabelle siehe nächste Folie>
end process;
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2. VHDL + FPGA
2. Zähler und Ampelsteuerung
z24
+1
GCLK0
T9
z
32
z(28...25)
0000
0001
0010
0011
0100
...
Autos
gelb
gelb
grün
grün
grün
...
Fussg.
rot
rot
rot
rot
rot
...
K12
led(0)
N14
P13
N12
P12
P11
led(3)
led(4)
led(5)
led(6)
led(7)
Tabellenbeschreibung mit einer Case-Anweisung:
case z(28 downto 25) is
when "0000"|"0001" => led(7 downto 3) <= b"010_01"; --A:gelb, F:rot
when "0010"|"0011"
=> led(7 downto 3) <= b"100_01"; --A:grün, F:rot
-- ab hier selbst weiterentwickeln
when others
=> led(7 downto 3) <= b"001_01"; --A:rot, F:rot
end case;
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2. VHDL + FPGA
Prof. G. Kemnitz
3. Simulation
Simulation
·
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65/74
2. VHDL + FPGA
Simulation
3. Simulation
Die Simulation benötigt ein Testobjekt. Das sei hier die
nachfolgende Zählfunktion:
Zusätzlich wird ein Testrahmen zur Erzeugung der
Eingabesignale benötigt. Das ist eine Entwurfseinheit mit dem
Testobjekt als Teilschaltung und im einfachsten Fall einem
Prozess zur Erzeugung der Eingabe.
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66/74
2. VHDL + FPGA
Prof. G. Kemnitz
·
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3. Simulation
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67/74
2. VHDL + FPGA
Simulationsarten
3. Simulation
Simulation des Verhaltens ohne Verzögerungen:
Simulation der synthetisierten und verdrahteten Schaltung
(mit Verzögerungen)
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68/74
2. VHDL + FPGA
Zusammenfassung
3. Simulation
Im modernen Digitalentwurf wird die Zielfunktion in einer
Hochsprache mit Datentypen und -objekten, arithmetischen und
logischen Operatoren, Fallunterscheidungen, Schleifen,
Unterprogrammen, ... beschrieben. Eine so beschriebene
Schaltung kann simuliert und innerhalb weniger Minuten
übersetzt, in einem Schaltkreis geladen und getestet werden.
Ähnlich wie im Software-Entwurf.
Die bisher eingeführten Beschreibungsmittel sind bereits
ausreichend, um die Zielfunktionen digitaler Schaltungen mit
einigen hundert bis tausend Gattern zu beschreiben, zu simulieren
und erfolgreich in Betrieb zu nehmen. Die weiteren Foliensätze
werden VHDL detaillierter einführen und auf weitere nützliche
Beschreibungsmittel eingehen, insbesondere für Testrahmen,
synthesegerechte Beschreibungen und ezientes Debuggen.
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69/74
2. VHDL + FPGA
Prof. G. Kemnitz
4. Aufgaben
Aufgaben
·
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70/74
2. VHDL + FPGA
4. Aufgaben
Aufgabe 2.4: Beschreibung einer Gatterschaltung
Beschreiben Sie die nachfolgende Gatterschaltung in VHDL.
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x1
x2
x3
·
&
z3
&
z4
&
z5
z1
z2
&
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y
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2. VHDL + FPGA
Aufgabe 2.5: Extraktion einer Gatterschaltung
4. Aufgaben
Zeichnen Sie die Schaltung zu der nachfolgenden
VHDL-Beschreibung.
entity GSxx is
port(
x: in std_logic_vector(3 downto 0);
y: out std_logic_vector(1 downto 0);
end entity;
architecture a1 of GSxx is
signal z: std_logic;
begin
z <= x(0) and (not x(1)) and x(3);
y(0) <= z or (x(2) and not(x(0)));
y(1) <= z or (not(x(2) and x(3));
end architecture;
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2. VHDL + FPGA
4. Aufgaben
Aufgabe 2.6: Schaltung mit Speicherelementen
Beschreiben Sie die nachfolgende Schaltung in VHDL.
&
x
I
T
y1
z1
≥1
z2
y2
I
I
Hinweis: Die Initialisierung sei asynchron. Verwenden Sie die
Beschreibungsschablone auf Folie 62.
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2. VHDL + FPGA
Aufgabe 2.7: Testrahmen
4. Aufgaben
Entwickeln Sie einen Testrahmen, der für die Schaltung und das
Simulationsmodell aus der Aufgabe zuvor die zu ergänzenden
Signalverläufe in der nachfolgenden Abbildung berechnet.
T
1
0
I
1
0
x
1
0
z1
1
0
z2
1
0
y1
1
0
y2
1
0
Prof. G. Kemnitz
0
·
20
40
60
80
100 120 140 160
Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal
t in ns
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