fpga_art_3.pdf

Instrukcja laboratoryjna i materiały dydaktyczne do przedmiotów

Układy FPGA

oraz

Układy cyfrowe II

Jacek Majewski

ICT, PWr

Wrocław, 26 .09.2006

Jacek Majewski *

ICT, PWr

Układy FPGA w nauczaniu układów cyfrowych

Opracowanie jest próbą ujęcia problemów występujących w procesie nauczania układów

cyfrowych z zastosowaniem układów FPGA. Jest ono wynikiem ponad 3 letniej praktyki w

nauczaniu układów FPGA i prowadzeniu laboratoriów. Opracowanie omawia

architekturę taniego systemu umożliwiającego prowadzenie eksperymentów z układami

FPGA. Zestaw ten opracowany został w Instytucie Cybernetyki Technicznej PWr.

Przedstawiono także listę zrealizowanych tematów wraz z omówieniem problemów

występujących przy ich realizacji. Opracowanie może ułatwić wprowadzenie układów

FPGA do praktyki nauczania i pozawala przekonać się o tym, że można to uczynić przy

niewielkich nakładach finansowych. Ten niewielki koszt urządzeń pozwolił wprowadzić

jeszcze jedną modyfikację do procesu nauczani: studenci mają możliwość zmontowania

układu demonstracyjnego FPGA do pracy nad własnym projektem w domu 1 .

1 Wstęp

Wprowadzenie układów FPGA 2 do procesu nauczania Układów cyfrowych dało

niesamowite możliwości tworzenia dużych, zaawansowanych projektów z zastosowaniem

układów cyfrowych. Realizując projekty studenci nie są już ograniczeni liczbą bramek

logicznych, przerzutników czy problemami połączeń elektrycznych. Wystarczy projekt

skompilować i załadować do układu FPGA. Układy FPGA konfigurowalne za pomocą

wewnętrznej pamięci RAM są idealnym układem do eksperymentowania: nie mają

ograniczenia co do liczby programowań układu FPGA. Proces poprawiania projektu i

jego ponownego uruchamiania można prowadzić bez dowolną liczbę razy.

W Instytucie Cybernetyki liczna studentów korzystających z zajęć laboratoryjno-

projektowych z Układów cyfrowych to ok. 300 studentów studiów dziennych,

wieczorowych i zaocznych. Zajęcia prowadzone są w wymiarze ok. 2 godz. tygodniowo.

Jest to niewystarczające dla przygotowania sensownych projektów układów cyfrowych.

Stąd pojawił się pomysł aby umożliwić studentom samodzielne wykonanie zestawu

dydaktycznego do pracy do domu. Stąd też przy opracowaniu układu dydaktycznego

położono szczególny nacisk na koszt układu. Łączny koszt materiałowy jednego zestawu

dydaktycznego to ok.120 zł.

2 Wybórukładu FPGA.

Ze względu na istniejące tradycje i zaszłości w procesie dydaktycznym Instytutu

Cybernetyki Technicznej jako serie układów FPGA do nauczani wybrano układy firmy

Xilinx . Ważną przesłanką był ponadto fakt, że firma ta oferuje bezpłatne narzędzia

projektowe dostępne pod nazwą WebPack . Niezwykle ważną rzeczą jest aby studenci

mieli dostęp do legalnego, bezpłatnego oprogramowania narzędziowego w domu.

Podejście takie w którym uczelnia dysponuje drogim sprzętem i oprogramowaniem

1 Osoby zainteresowane samodzielnym montażem układu FPGA proszone są o kontakt z autorem artykułu.

2 Field Programmable Gata Array

VCCO

GND

V3.3V

VCCO

POWER

OUT

GND

V33

JTAG

J_LEFT

GND

TMS

P10

VCCINT

VCCO

J_TOP

VCCO

180

GND

VCCO

VCCINT

GND

VCCINT

GND

P13

P15

P17

P19

P21

P23

P25

VCC

110

P16

P18

P20

P22

GND

J_RIGHT

GND

P75

P74

P73

P72

P71

P70

P69

P68

P67

P66

P65

P75

GND

CCLK

TMS

P10

P74

P62

TMS

IO/DOUT/BUSY

P73

P60

P59

IO/DIN/D0

P72

P58

P57

P71

P56

P55

P70

P54

P53

IO/D1

P69

P52

P51

IO/D2

P68

P67

P66

IO/D3

P65

GND

VCCO

GND

P13

VCCO

P62

VCCINT

P15

P16

P17

VCCINT

P60

IO/D4

P59

POWER

VCCO

P58

P19

P20

P21

P22

P23

P57

IO/D5

P56

IO/D6

P55

P54

XC2S30/XC2S50 VQ100

IO/D7

P53

LED1

LED2

P52

GND

IO/INIT

P25

P51

PROGRAM

GND

TEST

VCCINT

2.5V

TEST

INPUT_POW

POWER

OUT

GND

V25

VCCINT

GND

VCCINT

GND

220

C10

C11

J_BOTT

VCCINT

VCCO

220

VCCO

GND

VCCO

VCCINT

GND

rys.1 Moduł FPGA XC2S30/50

VCCO

GND

D:\prot_prj\fpga4\FPGA3_1.DDB - Documents\FPGA5.Sch

narzędziowym dostępnym jedynie na zajęciach, przy istniejącej liczbie studentów nie jest

dobrym rozwiązaniem w odniesieniu do układów FPGA .

Do prowadzenia zajęć projektowych potrzebne jest określenie zadania projektowego.

Jednym z prostszych sposobów jest formułowanie zadań projektowych odnoszących się

do sterowania elementami istniejących w laboratorium komputerów serii IBM PC . Tak

więc można sterować klawiaturą, odbierać dane z układu myszy komputerowej, sterować

monitorem VGA itd. Za względu na możliwości sterownia istniejącymi już w

laboratorium układami zewnętrznymi zdecydowano się wybrać serię układów FPGA typu

Spartan2. Tylko te układy dają możliwość współpracy z zewnętrznymi układami

zasilanymi napięciem 5V. Zdecydowano się wybrać układy w obudowach typu VQ100 .

Jest to kompromis pomiędzy możliwościami układu i ceną. Przy 100 wyprowadzeniach

obudowy VQ100 efektywna liczba uniwersalnych linii I/O 3 do sterowania to ok. 70. Jest

to wystarczająca liczba do sterowania nawet dość złożonych układów jak przykładowo

pamięci równoległe o dużej pojemności. Obudowy VQ100 oferują możliwość użycia

układów XC2S30 i XC2S50 . Końcowa liczba tych oznaczeń podaje wewnętrzną liczbę

branek w układzie. W układzie XC2S30 liczba bramek to 30 tysięcy. Aby zdać sobie

sprawę z możliwości układu o takiej liczbie bramek w tym miejscy należy przypomnieć,

że dla zbudowania procesora serii MC68000 potrzeba było firmie Motorola 6800

tranzystorów. W układzie XC2S30 procesor 8- bitowy mieści się bez żadnych przeszkód

co daje wyobrażenie o potencjalnej złożoności studenckich projektów. Wybór małej

obudowy VQ100 4 podyktowany był również poborem prądu. Zastosowane stabilizatory

typu linear low drop LF33 i LF 25 zapewniają obciążalność ok. 1.5A dla napięć 2.5V i

3.3V odpowiednio.

1. Moduł FPGA XC2S30/50

Schemat zestawu modułu laboratoryjnego FPGA XC2S30/50 przedstawiono na rys. 1.

Zawiera on układ Sparta2 XC2S30 lub XC2S50 oraz układy stabilizacji napięcia LF33 i

LF 25 . Wyprowadzenia z układu Sparta2 dostępne są z czterech stron układu na złączach

J_Left, J_right, J_top i J_bot. Zastosowane złącza szpilkowe, dwustronne umożliwiają

rozbudowę układu FPGA metodą podobną do stosowanej w komputerach ze złączem

PC104 : kolejne piętra rozbudowy można dodawać do dolnej a także górnej strony

modułu. Złącze Jp1 umożliwia podłączenie układu programowania o nazwie Parallel

Cable3 . Schemat tego układu programatora dostępny jest w Internecie. Programowanie

układu Spartan odbywa się poprzez złącze drukarki. Koszt materiału do wykonania

układu programującego typu Parallel Cable 3 to ok. 8 zł. Jedyną rzeczą na którą należy

zwrócić uwagę to fakt aby dobierając diody zabezpieczające przed odwrotną

polaryzacją napięcia wybrać diody Shotky’iego . Spadek napięcia na takiej diodzie to ok.

0.2V w miejsce 0.7V dla diod krzemowych. Wybrane układy buforów musza być serii

74HC125 bo tylko te układy działać będą zarówno przy napięciu 5V jak i 3V. Inne serie

jak AHC, C itd. nie dają możliwości zasilania różnymi napięciami. Na schemacie

widoczne są dwie diody LED: jedna z nich sygnalizuje obecność zasilania, druga jest

uniwersalnym próbnikiem logicznym, który może być wykorzystany w dowolny sposób.

Przedstawiony moduł jest umieszczany na uniwersalnym obwodzie drukowanym, który

umożliwia indywidualne zmontowanie dowolnego hardware’u, dla realizowanego

projektu. Dostęp do uniwersalnych wyprowadzeń układu FPGA odbywa poprzez złącza

J_Left, J_right, J_top i J_bot.

rys. 1 Moduł FPGA XC2S30/50

3 Input/Ouput

4 Dla porównania obudowa VQ208 ma cztery razy większą powierchnię od układu VQ100.

3 Płyta podstawowawa

Moduł FPGA umieszczany jest na płycie podstawowej. Płyta ta to uniwersalny obwód

drukowany. Minimalnie płyta ta zawiera (rys.2) stabilizator napięcia 5V , oscylator

50MHz i generator wolnych przebiegów, zrealizowany za pomocą układu NE555 .

Stabilizator napięcia 5V jest niezbędnydla zasilania układów zewnętrznych

współpracujących z układem FPGA . Ponieważ układy Spartan2 nie zawierają

wewnętrznego oscylatora dodano je na zewnątrz. w postaci dwóch układów. Pierwszy z

nich NE555 generuje przebiegi o niskiej częstotliwości co ułatwia uruchomianie i

realizację projektów nie wymagających znacznych szybkości. Drugi z nich generuje

precyzyjne, szybkie przebiegi cyfrowe 50MHz. Dowolne przebiegi cyfrowe mogą być

uzyskane z tego generatora przez zastosowanie gotowych podzielników częstotliwości z

bibliotek typu core generator .

rys. 2 Płyta główna FPGA XC2S30/50 – podstawowe układy

4 Metoda realizacji projektu

W trakcie realizacji projektu powstaje dylemat co do sposobu zapisu projektu. Jest nim

wybór pomiędzy zapisem projektu w postaci schemat i zapisem w języku VHDL . Każda

z metod ma swoje wady i zalety. Za schematem przemawia podejście dydaktyczne.

Widać w mim sposób połączeń pomiędzy blokami. Poznanie elementów z bibliotek ich

systematyka w postaci podziału na liczniki, rejestry, układy logiczne, arytmetyczne itd.

jest niezwykle dydaktyczna. Niestety w zakresie języka schematów w firmie Xilinx

panuje nieprawdopodobny bałagan. Ciągle zmieniane są wersje, wersje nowsze nie pasują

do starszych, brak kompatybilności pomiędzy modułami z bibliotek itd. Przygotowanie

złażonego projektu w postaci schematu jest niezwykle pracochłonne.

Język VHDL oferuje znacznie lepsze możliwości przy przenoszeniu projektu. Wśród

studentów powstaje jednak złudne przekonanie że skoro znają język C lub Pascal to i

poradzą sobie z językiem VHDL . Obserwuje się tendencje do tego, że zamiast przeczytać

dobrą książkę dotyczącą ęzyka VHDL studenci usiłują „odgadnąć” metodą

eksperymentów działanie projektu. W złożonym projekcie, nawet takim który działa,

prowadzący nie ma żadnych szans aby zorientować się jaka jest struktura i jakie

zastosowano rozwiązania.

W dotychczasowej praktyce stosuję z powadzeniem rozwiązanie pośrednie. Główny

projekt jest rysowany w postaci schematu. Schemat ten zawiera moduły napisane w

języku VHDL . Każdy z modułów musi mieć wyraźne przeznaczenie, funkcję i strukturę

co widać na schemacie.

5 Przykłady zrealizowanych projektów

Poniżej zestawiono przykłady zrealizowanych do tej pory projektów. Aby umożliwić

realizację projektu za każdym razem należy dostarczać nie tylko temat projektu, ale i

prosty sposób sprawdzenia sprzętu niezbędnego do jego realizacji w postaci prostego

testu. Ten aspekt zostanie przedstawiony każdorazowo przy omawianiu tematu projektu.

W dużym stopniu zależy od niego sukces lub klęska w trakcie realizowania projektu.

Chodzi o to aby uświadomić prowadzącym zajęcia że nie wystarczy wymyślić genialny

projekt ale trzeba podać do niego prosty przepis (test) jak sprawdzić urządzenie którym

projekt ma sterować.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: