Laboratório - Projeto e implementação de um conversor BCD para SSD

Objetivos

• Projetar um circuito digital que realize a conversão de uma entrada BCD para um saída de um mostrador de 7 segmentos.
• Descrever através de uma tabela verdade o funcionamento de um circuito.
• Usar a técnica do mapa de Karnaugh para minimizar a função lógica de cada saída.
• Fazer a descrição do hardware (em VHDL) do circuito obtido.
• Utilizar um kit FPGA para implementar o circuito.
• Verificar se o circuito funciona
• Redigir um relatório completo sobre a atividade realizada

Procedimento de laboratório

Passo 1 - Preparação

• Identifique no kit FPGA (DE2-115) as chaves, leds e mostrador que será utilizado

• As chaves SW3, SW2, SW1, SW0 serão utilizadas como as entradas bcd_A, bcd_B, bcd_C, bcd_D.
• Os leds LEDR3, LEDR2, LEDR1, LEDR0 serão utilizados para mostrar quando as entradas estão em alto
• O mostrador SSD HEX0 será usado para mostrar os números de 0 a 9 na saída.

• Escreva a tabela verdade do conversor. Lembre-se que nesse kit o mostrador é de anodo comum, e portanto o led acende em BAIXO e apaga em ALTO.

		Entradas	Saídas
Valor	Mostrador	ABCD	a	b	c	d	e	f	g
0		0000	0	0	0	0	0	0	1
1		0001	1	0	0	1	1	1	1
2		0010	0	0
3		0011	0	0
4		0100	1	0
5		0101	0	1
6		0110	0	1
7		0111	0	0
8		1000	0	0	0	0	0	0	0
9		1001	0	0

• Use a técnica do mapa de Karnaugh para minimizar a função lógica de cada saída (a, b, c, d, e, f, g) (reveja a aula de Simplificação de expressões lógicas - Mapas de Karnaugh-Veitch
• Confira a expressão lógica obtida com Karnaugh Map Explorer 2.0
• Dica: se quiser faça o projeto inteiro para catodo comum (conforme feito em aula) e inverta as saídas com um not

 a = (A + C + B D + B'D')' 

Passo 2 - Obtenção do circuito em VHDL

• Uma vez obtidas as expressões lógicas de cada saída, escreva o código VHDL que implemente essas funções, utilizando apenas portas (and, or e not)

-- File: bcd2ssd.vhd
-- Autor: Marcos Moecke
-- Data:  19 out. 2023

-- declaração da entidade.  descrição dos nomes do circuito, entradas e saidas
entity bcd2ssd is
  port (
    bcd_A, bcd_B, bcd_C, bcd_D  : in bit;   -- bits da entrada BCD
    led_A, led_B, led_C, led_D  : out bit;   -- bits da entrada BCD
    ssd_a, ssd_b, ssd_c, ssd_d, ssd_e, ssd_f, ssd_g  : out bit);   -- bits da saida SSD para o mostrador
end entity;
-- descrição do circuito a ser implementado no FPGA
architecture ifsc_v1 of bcd2ssd is

begin
  -- Conectar as entradas aos leds
  led_a <= bcd_A;
  led_b <= 

  -- Descrever as funcoes logicas minimizadas de cada saida SSD
  -- a =  A'B'C'D + B C'D' (função obtida para o display de anodo comum)
  ssd_a <= ((not bcd_A) and (not bcd_B) and (not bcd_C)  and bcd_D) or (bcd_B and (not bcd_C) and (not bcd_D));

  -- b =  B C'D + B C D' (função obtida para o display de anodo comum)
  ssd_b <=

end architecture;

• Fazer a análise e síntese desse circuito. Corrija eventuais erros.
• Se desejar realize a simulação com o Modelsim, variando as entradas de 0 a 15. (opcional)

• Verifique se os valores das saídas estão corretos para 0 até 9.
• Anote os valores das saídas para as entradas entre 10 e 15. Como os valores não foram predeterminados (foi usado o don't care), o mostrador pode acender de forma aleatória.

Passo 3 - Gravação do circuito no kit FPGA

• Veja a documentação em Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA
• Para o kit DE2-115, devemos escolher a FAMILY: Cyclone® IV E e o DEVICE: EP4CE115F29C7
• Realize a associação dos pinos do FPGA com as portas do circuito. Consulte as Interfaces de entrada e saída da DE2-115 para encontrar o número dos pinos, e complete a tabela abaixo:

porta da ENTITY	nome do pino no FPGA	número do pino no FPGA
bcd_A	SW[3]
bcd_B	SW[2]
bcd_C	SW[1]	PIN_AC28
bcd_D	SW[0]	PIN_AB28
led_A	LEDR[3]
led_B	LEDR[2]
led_C	LEDR[1]	PIN_F19
led_D	LEDR[0]	PIN_G19
ssd_a	HEX0[0]	PIN_G18
ssd_b	HEX0[1]	PIN_F22
ssd_c	HEX0[1]
ssd_d	HEX0[1]
ssd_e	HEX0[1]
ssd_f	HEX0[1]
ssd_g	HEX0[1]

• Após feita a configuração, realiza a programação (download do bitstream), conforme descrito emProgramando o FPGA através da USB-Blaster

Passo 4 - Testes

• Para verificar se o circuito funciona, realie seguintes testes, acionando as chaves e observando o resultado nos LEDs e no mostrador:
• Selecione nas chaves SW3, SW2, SW1, SW0, seguidamento os valores binários correspondentes aos valores de 0 a 15
• Verifique se o leds LEDR3, LEDR2, LEDR1, LEDR0 acendem conforme os números.
• Verifique também se o mostrador mostra corretamente os valores de 0 a 9.
• Anote quais leds acendem para os valores 10 a 15.

Passo 5 - Documentação

• Ao longo do procedimento anote os valores e procedimentos realizados para incluí-los no relatório.

Relatório Técnico

• Documentar o experimento em um relatório técnico que contenha no mínimo:

• Identificação (título, disciplina, data, autores);
• Introdução;
• Descrição do procedimento realizado;
• Resultados obtidos (com imagens dos itens importantes) e análise dos resultados;
• Conclusão.
• Apêndice (se desejar pode ser disponibilizados vídeos dos testes do circuito)

• O relatório deve também responder as questões levantadas e mostrar que os objetivos apresentados na introdução foram atendidos.