Thực hành thiết kế mạch số với hdl

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH ------oOo----- THỰC HÀNH THIẾT KẾ MẠCH SỐ VỚI HDL TP.HCM, 9-2009 Giới thiệu Bộ tài liệu thực hành thiết kết mạch số với HDL được soạn thảo nhằm mục đích hỗ trợ các bạn sinh viên trong việc tiếp xúc với ngôn ngữ đặc tả phần cứng. Mà cụ thể là hỗ trợ cho môn học thiết kết mạch số với HDL. Tài liệu này bao gồm 9 bài, tương ứng với 9 buổi. Nội dung chu yếu hướng đến việc học tư duy thiết kết phần cứng. Giúp sinh viên luyện tập các kỹ năng lập trình với Verilog, mô phỏng trên Model Sim hay trực tiếp trên board DE2. Mặc dù rất cố gắng để nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ phía bạn đọc hoặc các bạn sinh viên. Chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 27 tháng 9 năm 2009 Mục lục W X Buổi 1.  Tổng quan về các phần mềm thiết kế trên FPGA ....................................... 7  I.  Giới thiệu Board DE2 của Altera............................................................................. 7  1.  Giới thiệu.......................................................................................................... 7  2.  Thành phần ....................................................................................................... 7  3.  Một vài ứng dụng của board DE2 .................................................................... 8  II.  Cách cài đặt Quartus II 8.0 và Nios II ..................................................................... 9  1.  Giới thiệu.......................................................................................................... 9  2.  Cài đặt............................................................................................................. 10  III.  Cách nạp chương trình cho Quartus II 8.0:............................................................ 13  1.  Tạo 1 project:.................................................................................................. 13  2.  Viết chương trình và biên dịch: ...................................................................... 17  3.  Tạo file mô phỏng (simulate) và bắt đầu simulate ......................................... 22  4.  Cấu hình chân và nạp lên board...................................................................... 30  Buổi 2.  Mạch tổ hợp và mạch tuần tự...................................................................... 40  I.  Giới thiệu ............................................................................................................... 40  1.  Giới thiệu........................................................................................................ 40  2.  Hướng dẫn thiết kế FPGA thông qua sơ đồ khối/Schematic.......................... 40  II.  Bài tập .................................................................................................................... 46  Buổi 3.  Lập trình Verilog với mô hình cấu trúc ..................................................... 48  I.  Giới thiệu ModelSim ............................................................................................. 48  1.  Giới thiệu........................................................................................................ 48  2.  Cài đặt............................................................................................................. 48  3.  Hướng dẫn ...................................................................................................... 58  II.  Bài tập .................................................................................................................... 65  Buổi 4.  Mô hình hành vi ............................................................................................ 67  I.  Bài tập .................................................................................................................... 67  Buổi 5.  Mô hình hành vi (tt)...................................................................................... 71  I.  Bài tập .................................................................................................................... 71  Buổi 6.  Máy trạng thái .............................................................................................. 75  I.  Giới thiệu ............................................................................................................... 75  1.  Giới thiệu........................................................................................................ 75  2.  Hướng dẫn ...................................................................................................... 75  II.  Bài tập .................................................................................................................... 83  Mục lục hình W X Hình 1.Board DE2 ............................................................................................................. 7  Hình 2. TV Box.................................................................................................................. 8  Hình 3. Chương trình vẽ (paintbrush)................................................................................ 9  Hình 4. Máy hát Karaoke và máy chơi nhạc từ card SD ................................................... 9  Hình 5. Thông báo chưa cài dirver .................................................................................. 10  Hình 6. Chọn cách thức cài đặt driver ............................................................................. 11  Hình 7. Chọn thư mục tìm kiếm driver............................................................................ 11  Hình 8. Chọn thư mục chứa dirver .................................................................................. 12  Hình 9. Thông báo lỗi ...................................................................................................... 12  Hình 10. Thông báo cài đặt hoàn tất ................................................................................ 13  Hình 11. Tạo mới một project.......................................................................................... 14  Hình 12. Hộp hội thoại tạo mới project ........................................................................... 15  Hình 13. Hộp thoại lựa chọn chip.................................................................................... 16  Hình 14. Hộp thoại tổng hợp các thông tin của project ................................................... 17  Hình 15. Tạo mới file....................................................................................................... 18  Hình 16. Lựa chọn loại file cần tạo.................................................................................. 19  Hình 17. Cửa sổ viết code................................................................................................ 19  Hình 18. Cửa sổ lập trình................................................................................................. 20  Hình 19. Hộp thoại lưu file .............................................................................................. 20  Hình 20. Lựa chọn lop-level cho file ............................................................................... 21  Hình 21. Biên dịch chương trình ..................................................................................... 21  Hình 22. Thông báo việc biên dịch thành công ............................................................... 22  Hình 23. Tạo mới file testbench....................................................................................... 23  Hình 24. Chọn tín hiệu sẽ được test................................................................................. 23  Hình 25. Hộp thoại lựa chọn tín hiệu............................................................................... 24  Hình 26. Cửa sổ lựa chọn tín hiệu ................................................................................... 24  Hình 27. Xác nhận lại việc lựa chọn tín hiệu................................................................... 25  Hình 28. Thiết lập giá trị cho các tín hiệu........................................................................ 25  Hình 29. Cửa sổ Save As ................................................................................................. 26  Hình 30. Lựa chọn chế độ simulate ................................................................................. 26  Hình 31. Cửa sổ thiết lập các thông số của quá trình simulate ........................................ 27  Hình 32. Thực hiện chức năng tổng hợp và phân tích chương trình ............................... 27  Hình 33. Thông báo thành công....................................................................................... 28  Hình 34. Thiết lập file testbench cho chương trình ......................................................... 28  Hình 35. Lựa chọn đường dẫn lưu trữ file testbench ....................................................... 28  Hình 36. Chỉ định vị trí lưu trữ file testbench.................................................................. 29  Hình 37. Tiến hành quá trình simulation ......................................................................... 29  Hình 38. Thông báo simulate thành công ........................................................................ 30  Hình 39. Kết quả quá trình mô phỏng (simulation) ......................................................... 30  Hình 40. Cửa sổ gán chân ................................................................................................ 31  Hình 41. Các tín hiệu cần gán chân ................................................................................. 31  Hình 42. Danh sách các chân có thể được gán ................................................................ 32  Hình 43. Quá trình gán chân hoàn tất .............................................................................. 32  Hình 44. Lưu lại file cấu hình chân ................................................................................. 33  Hình 45. Hộp thoại load file cấu hình chân ..................................................................... 33  Hình 46. Cửa sổ lập trình (nạp) ....................................................................................... 34  Hình 47. Cửa sổ Hardware Setup .................................................................................... 35  Hình 48. Cửa sổ lập trình................................................................................................. 35  Hình 49. Cửa sổ thiết bị ................................................................................................... 36  Hình 50. Cứa sổ Device & Pin Options........................................................................... 37  Hình 51. Thông báo thay đổi chế độ lập trình ................................................................. 37  Hình 52. Cửa sổ lập trình trong chế độ AS...................................................................... 38  Hình 53. Lựa chọn file cấu hình ...................................................................................... 38  Hình 54. Quá trình lập trình hoàn tất ............................................................................... 39  Hình 55. Cửa sổ lựa chọn loại file ................................................................................... 41  Hình 56. Cửa sổ làm việc của Quartus ............................................................................ 42  Hình 57. Hộp thoại lựa chọn linh kiện có trong thư viện ................................................ 43  Hình 58. Đặc linh kiện lên cửa sổ làm việc ..................................................................... 44  Hình 59. Cửa sổ gán chân cho tín hiệu xuất nhập ........................................................... 45  Hình 60. Hoàn tất việc vẽ mạch....................................................................................... 45  Hình 61. Lựa chọn file cấu hình cho project ................................................................... 46  Hình 62. Cửa sổ cài đặt ModelSim.................................................................................. 49  Hình 63. Cửa sổ cài đặt ModelSim.................................................................................. 50  Hình 64. Cửa sổ lựa chọn thư mục cài đặt....................................................................... 51  Hình 65. Lựa chọn tên thư mục cho chương trình........................................................... 52  Hình 66. Tổng hợp thông tin cài đặt ................................................................................ 53  Hình 67. Thanh process cài đặt........................................................................................ 53  Hình 68. Cửa sổ thông báo license của phần mềm .......................................................... 54  Hình 69. Đăng ký thông tin.............................................................................................. 55  Hình 70. Xem thông tin card mạng của máy ................................................................... 56  Hình 71. Cửa sổ thuộc tín của hệ thống........................................................................... 57  Hình 72. Cửa sổ biến môi trường..................................................................................... 58  Hình 73. Hộp thoại tạo mới một biến môi trường ........................................................... 58  Hình 74. Cửa sổ làm việc của ModelSim ........................................................................ 59  Hình 75. Tạo mới project................................................................................................. 59  Hình 76. Thông tin của project mới ................................................................................. 60  Hình 77. Thêm các file vào project.................................................................................. 60  Hình 78. Hộp thoại tạo mới file ....................................................................................... 60  Hình 79. Cửa sổ soạn thảo ............................................................................................... 61  Hình 80. Tạo mới file....................................................................................................... 61  Hình 81. Thêm file vào project ........................................................................................ 62  Hình 82. Code verilog file testbench ............................................................................... 62  Hình 83. Thư viện word................................................................................................... 63  Hình 84. Thực hiện simulate............................................................................................ 63  Hình 85. Chọn tín hiệu sẽ được vẽ dạng sóng (giản đồ).................................................. 64  Hình 86. Cửa sổ lệnh ....................................................................................................... 64  Hình 87. Giản đồ thơi gian của các tín hiệu..................................................................... 65  Hình 88. Kết thúc quá trình simulate ............................................................................... 65  Hình 89. Sơ đồ kết nối mạch............................................................................................ 66  Hình 90. Kết nối mạch ..................................................................................................... 68  Hình 91. Bảng thực trị và sơ đồ mạch ............................................................................. 68  Hình 92. Sơ đồ mạch........................................................................................................ 69  Hình 93. Bảng thực trị và sơ đồ kết nối ........................................................................... 69  Hình 94. Sơ đồ kết nối ..................................................................................................... 70  Hình 95. Bảng thực trị ..................................................................................................... 70  Hình 96. Bảng thực trị ..................................................................................................... 71  Hình 97. Sơ đồ kết nối mạch............................................................................................ 72  Hình 98. Bảng thực trị và sơ đồ kết nối mạch ................................................................. 73  Hình 99. Mạch cộng 4-bit Full-Adder ............................................................................. 73  Hình 100. Tạo file máy trạng thái.................................................................................... 76  Hình 101. Cửa sổ làm việc............................................................................................... 77  Hình 102. Tạo các trạng thái............................................................................................ 78  Hình 103. Tạo các đường chuyển trạng thái .................................................................... 78  Hình 104. Thiết lập biểu thức chuyển trạng thái ............................................................. 79  Hình 105. Thiết lập tín hiệu xuất và action của mỗi trạng thái........................................ 80  Hình 106. Máy trạng thái ................................................................................................. 80  Hình 107. Chuyển máy trạng thái sang định dạng của ngôn ngữ thiết kết phần cứn ...... 81  Hình 108. Code verilog được tạo ra từ máy trạng thái .................................................... 82  Hình 109. Chương trình chính ......................................................................................... 83  Hình 110. Thiết lập top-level ........................................................................................... 83  Hình 111. Lưu đồ trạng thái............................................................................................. 84  ĐH. Bách Khoa TP.HCM Khoa KH&KTMT Buổi 1. Tổng quan về các phần mềm thiết kế trên FPGA Mục tiêu ™ Nắm được công nghệ FPGA ™ Làm quen board thực hành DE2 ™ Cài đặt, và làm quen với các phần mềm: Quartus II, Nios II I. Giới thiệu Board DE2 của Altera 1. Giới thiệu Board DE2 là board mạch phục vụ cho việc nghiên cứu và phát triển về các lĩnh vực luận lý số học (digital logic), tổ chức máy tính (computer organization) và FPGA. Hình 1.Board DE2 2. Thành phần Board DE2 cung cấp khá nhiều tính năng hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phát triển, dưới đây là thông tin chi tiết của một board DE2: ¾ FPGA: - Vi mạch FPGA Altera Cyclone II 2C35. - Vi mạch Altera Serial Configuration – EPCS16. Thực hành thiết kết mạch số với HDL 7 KTMT ĐH. Bách Khoa TP.HCM Khoa KH&KTMT ¾ Các thiết bị xuất nhập: - USB Blaster cho lập trình và điểu khiển API của người dung; hỗ trợ cả 2 chế độ lập trình JTAG và AS. - Bộ điều khiển Cổng 10/100 Ethernet. - Cổng VGA-out. - Bộ giải mã TV và cổng nối TV-in. - Bộ điều khiển USB Host/Slave với cổng USB kiểu A và kiểu B. - Cổng nối PS/2 chuột/bàn phím. - Bộ giải mã/mã hóa âm thanh 24-bit chất lượng đĩa quang với jack cắm line-in, line-out, và microphone. - 2 Header mở rộng 40-pin với lớp bảo vệ diode. - Cổng giao tiếp RS-232 và cổng nối 9-pin. - Cổng giao tiếp hồng ngoại. ¾ Bộ nhớ: - SRAM 512-Kbyte. - SDRAM 8-Mbyte. - Bộ nhớ cực nhanh 4-Mbyte (1 số mạch là 1-Mbyte). - Khe SD card. ¾ Switch, các đèn led, LCD, xung clock - 4 nút nhấn, 18 nút gạt. - 18 LED đỏ, 9 LED xanh, 8 Led 7 đoạn - LCD 16x2 - Bộ dao động 50-MHz và 27-MHz cho đồng hồ nguồn. 3. Một vài ứng dụng của board DE2 ¾ Ứng dụng làm TV box Hình