DLP29006-Engtelecom(2018-2) - Prof. Marcos Moecke

MURAL DE AVISOS E OPORTUNIDADES DA ÁREA DE TELECOMUNICAÇÕES

Registro on-line das aulas

Unidade 1 - Introdução

Unidade 1 - Introdução 2 AULAS Aula 1 (26 jul) Apresentação da disciplina Autoinscrição na Plataforma Moodle de DLP29006 (engtelecom) Introdução aos dispositivos lógicos programáveis: Conceito, tipos de PLDs SPLD: PAL, PLA e GAL CPLDs Exemplos de PLDs Figura 1.1 - Macrobloco do PLD EP300 da ALTERA FONTE: https://www.altera.com/solutions/technology/system-design/articles/_2013/in-the-beginning.html Figura 1.2 - Macrocélula dos PLDs Clássicos EP600, EP900, EP1800 da ALTERA (1999) FONTE: https://www.altera.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/ds/archives/classic.pdf Figura 1.3 - Architetura do PLD EP1800 da ALTERA FONTE: https://www.altera.com/solutions/technology/system-design/articles/_2013/in-the-beginning.html FONTE: https://www.altera.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/ds/archives/classic.pdf Figura 1.5 - Pinagem e tipos de encapsulamento do PLD EP1800 da ALTERA FONTE: https://www.altera.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/ds/archives/classic.pdf FONTE: Figura 1.6 - Architetura do CPLD MAX 5000 da ALTERA FONTE: https://www.altera.com/solutions/technology/system-design/articles/_2013/in-the-beginning.html Preços ALTERA, ARROW,Digikey Fabricantes de DLPs/FPGAs e familias de DLPs atuais. ALTERA - Stratix, Arria, Cyclone, Max Xilinx - Virtex, Kintex, Artix, Zynq (SoC) Microsemi - Igloo Lattice - ECP, iCE, Mach Ler In the beginning - ALTERA Ler ALTERA history Aula 2 (27 jul) Arquitetura de FPGAs (Xilinx e Altera): CLB, LAB, RAM, DSP, Clock, PLL, I/O Vizualização no Chip Planner de um projeto. (importante todos alunos terem acesso a IFSC-CLOUD Conhecendo os dispositivos lógicos programáveis Ver pag. 413 a 431 de Ver pag. 495 a 501 de de Historia, processo de produção dos chips. A Brief History of the Fabless Semiconductor Industry Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (TSMC), [http://www.globalfoundries.com/ GLOBALFOUNDRIES Fabless: The Transformation of the Semiconductor Industry, 2014 - Download free 14nm FinFET Technology, Funcionamento do FinFET, Produção do FinFET, [1], Apple's 'A12' chip reportedly in production using 7nm process from TSMC GLOBALFOUNDRIES Sand to Silicon, How Microchips are made - Processo de fabricação de um chip Foundries, [2]

Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS

Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS 3 AULAS Aula 3 (1 ago) Introdução ao VHDL e ambiente EDA - QUARTUS Estrutura do código VHDL Declaração das bibliotecas e pacotes LIBRARY / PACKAGE library library_name; use library_name.package)name.all; ENTITY entity entity_name is [generic ( cons_name1: const_type const_value; cons_name2: const_type const_value; ... cons_nameN: const_type const_value);] [port ( signal_name1: mode signal_type; signal_name2: mode signal_type; ... signal_nameN: mode signal_type);] [declarative_part] [begin statement_part] end [entity] [entity_name]; ARCHITECTURE architecture arch_name of entity_name is [declarative_part] begin statement_part end [architecture] [arch_name]; Exemplo - Declaração de uma porta NAND em VHDL library std; use std.standard.all; entity nand_gate is port (a, b: in bit; x: out bit); end entity; architecture nome_arch of nand_gate is begin x <= a nand b; end architecture; Exemplo 2.2 (VHDL) - programação de um flip-flop -- Declaração das bibliotecas e pacotes LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; -- Especificação de todas as entradas e saídas do circuito ENTITY flip_flop IS PORT (d, clk, rst: IN STD_LOGIC; q: OUT STD_LOGIC); END; -- Descrição de como o circuito deve funcionar ARCHITECTURE flip_flop OF flip_flop IS BEGIN PROCESS (clk, rst) BEGIN IF (rst='1') THEN q <= '0'; ELSIF (clk'EVENT AND clk='1') THEN q <= d; END IF; END PROCESS; END; Após a criação do projeto em VHDL utilizando a descrição de hardware acima, compile o código VHDL. Use o RTL Viewer para ver a descrição RTL do circuito. Figura 2.2 - Código RTL do Exemplo 2.2 Use o Technology Map Viewer para ver a como o circuito foi mapeado para os elementos lógicos disponíveis no dispositivo FPGA selecionado (EP1C3T100A8) Figura 2.3 - Technology Map do Exemplo 2.2 Abra o Chip Planner e observe no Node Properties como esse circuito é conectado dentro do dispositivo FPGA selecionado Figura 2.4 - Chip Planner do Exemplo 2.2 Aula 4 (2 ago) Uso de alguns sites auxiliares para a programação em VHDL: Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA Palavras reservadas do VHDL VHDL Beautifier, Formatter - para formatar automaticamente um código VHDL. Exemplo de um contador em VHDL. COUNTER na página de VHDL da Wikipedia. Objetivos: Copiar e colar o código no Quartus; diferença entre analise e síntese e compilação; observar o RTL (usar UNGROUP); simulação funcional e simulação temporal; observar os atrasos de propagação na simulação temporal. Uso das bibliotecas no VHDL. Library std O Package standard: é parte do VHDL desde a primeira versão (1987). Ela contem definição de tipos de dados (BIT, INTEGER, BOOLEAN, CHARACTER, etc.) e seus operadores logicos, aritméticos, de comparação e shift. O Package textio fornece os recurso para o tratamento de textos e arquivos, que podem ser utilizados na simulação. Como declarar e usar os pacotes da biblioteca std. Note que esses pacotes são implicitamente carregados não precisando ser declarados. Ambos pacotes foram expandidos no VHDL 2008. -- NAO É NECESSARIO DECLARAR library std; use std.standard.all; use std.textio.all; Onde estão os arquivos dessa biblioteca na versão Quartus II instalada nos computadores do IFSC e na IFSC_CLOUD? ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/std Library ieee O Package std_logic_1164 define os tipos de dados STD_ULOGIC e STD_LOGIC. O Package numeric_std define os tipos de dados SIGNED e UNSIGNED e seus operadores considerando o tipo STD_LOGIC como base. O Package numeric_bit define os tipos de dados SIGNED e UNSIGNED e seus operadores considerando o tipo BIT como base. O Package numeric_std_unsigned introduz operadores sobre o tipo STD_LOGIC_VECTOR, considerando os como números sem sinal. O Package numeric_bit_unsigned introduz operadores sobre o tipo BIT_VECTOR, considerando os como números sem sinal. O Package fixed_pkg (e pacotes associados) definem os tipos de ponto fixo unsigned (UFIXED) e signed (SFIXED) e seus operadores. O Package float_pkg (e pacotes associados) definem o tipo de ponto flutuante (FLOAT) e seus operadores. Pacotes não padronizados (NÃO UTILIZAR) O Package std_logic_arith define os tipos de dados SIGNED e UNSIGNED e seus operadores. Deve ser sempre substituído por pelo pacote padrão equivalente numeric_std. (disponível da Mentor e Synopsys) O Package std_logic_unsigned é semelhante ao numeric_std_unsigned. (disponível da Synopsys) O Package std_logic_signed é semelhante ao acima operando sobre números com sinal. (disponível da Synopsys) Como declarar e usar os pacotes da biblioteca ieee. library ieee; -- UTILIZAR ESTES PACOTES use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.numeric_std.all; -- NAO UTILIZAR ESTES PACOTES use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_signed.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; Onde estão os arquivos dessa biblioteca na versão Quartus II versão 13.0sp1 instalada nos computadores do IFSC e na IFSC_CLOUD? Os pacotes padrão: ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/ieee Os pacotes não padrão: ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/mentor/arithmetic (Mentor Graphics) ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/synopsys/ieee (Synopsys) Os arquivos dessa biblioteca do padrão (versão 2008) estão apenas disponíveis a partir do Quartus II versão 16.0 instalado na IFSC_CLOUD? ls /opt/altera/16.0/quartus/libraries/vhdl/ieee/2008 Aula 5 (8 ago) Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS Estrutura do código VHDL Modifique o circuito do flip-flop para que ele passe a ter 4 flip-flops, e realize as simulações funcional e temporal do circuito. Figura 2.5 - RTL 4 FF Figura 2.6 - Simulação Funcional de 4 FF 100ns Figura 2.7 - Simulação Temporal de 4 FF 100ns Note que na simulação funcional a mudança da saída Q ocorre no instante em que ocorre a borda de subida do clock ou no momento do reset. No entanto, no caso da simulação com timing, existe um atraso de ~6ns nestas mudanças. IMPORTANTE: Na prática normalmente não é necessário fazer a simulação temporal, pois através do Time Quest Report é possivel verificar se o circuito atende as restrições de tempo. Para definir as restrições de tempo do clock por exemplo, pode ser adicionado um arquivo .sdc ao projeto definindo a frequencia do clock esperada através da seguinte linha: create_clock -name CLK50MHz -period 50MHz [get_ports {*}] Aula 6 (9 ago) Exemplo 2.3 (VHDL e QSIM) - programação de um circuito somador com registrador Realizar as simulações funcional e temporal do circuito Observar o "Technology Map" e o "RTL" do circuito LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY registered_comp_add IS PORT (clk: IN STD_LOGIC; a, b: IN INTEGER RANGE 0 TO 7; reg_comp: OUT STD_LOGIC; reg_sum: OUT INTEGER RANGE 0 TO 15); END; ARCHITECTURE circuit OF registered_comp_add IS SIGNAL comp: STD_LOGIC; SIGNAL sum: INTEGER RANGE 0 TO 15; BEGIN comp <= '1' WHEN a>b ELSE '0'; sum <= a + b; PROCESS (clk) BEGIN IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN reg_comp <= comp; reg_sum <= sum; END IF; END PROCESS; END; Acrescente saídas para o sinal sum e para o sinal comp, de modo a poder observar estes sinais no simulador QSIM e realize novas simulações funcional e temporal. Figura 2.8 - Código RTL do Exemplo 2.3 ver Tutorial do QSIM - Introduction to Simulation of VHDL Designs da ALTERA. Ver pag. 3 a 24 de

Unidade 3 - Tipos de Dados e Operadores em VHDL

Unidade 3 - Tipos de Dados e Operadores em VHDL 7 AULAS Aula 7 (5 mar) Tipos de Dados em VHDL. Objetos de VHDL: CONSTANT, SIGNAL, VARIABLE, FILE. Palavra chave OTHERS Ver pag. 31 a 35 de Bibliotecas padrão IEEE (Std logic 1164.vhd, Numeric std.vhd). ATENÇÃO!!! Não use as bibliotecas que não são padrão (std_logic_arith, std_logic_unsigned, std_logic_signed) Ler e guardar a página sobre Aritmética com vetores em VDHL Exemplo 3.3 Multiplicador de 4x4 bits (UN)SIGNED e INTEGER Código Multiplicador --LIBRARY ieee; --USE ieee.numeric_std.all; ENTITY multiplicador4x4 IS -- multiplicador usando UNSIGNED -- PORT (a, b: IN UNSIGNED(3 DOWNTO 0); -- min(a) = 0; max(a) = 15 <- 4 bits -- y: OUT UNSIGNED(7 DOWNTO 0)); -- min(a*b) = 0, max(a*b) = 225 -> 8 bits -- multiplicador usando SIGNED -- PORT (a, b: IN SIGNED(3 DOWNTO 0); -- min(a) = -8; max(a) = 7 <- 4 bits -- y: OUT SIGNED(7 DOWNTO 0)); -- min(a*b) = -56, max(a*b) = 64 -> 8 bits -- multiplicador usando INTEGER (positivos) -- PORT (a, b: IN INTEGER RANGE 0 TO 15; -- min(a) = 0; max(a) = 15 -> 4 bits -- y: OUT INTEGER RANGE 0 TO 225); -- min(a*b) = 0, max(a*b) = 225 -> 8 bits -- multiplicador usando INTEGER (positivos e negativos) -- PORT (a, b: IN INTEGER RANGE -8 TO 7; -- min(a) = -8; max(a) = 7 -> 4 bits -- y: OUT INTEGER RANGE -56 TO 64); -- min(a*b) = -56, max(a*b) = 64 -> 8 bits END ENTITY; ARCHITECTURE v1 OF multiplicador4x4 IS BEGIN y <= a * b; END ARCHITECTURE; Observar o número de elementos lógicos, bits usados para representar as entradas e saídas. Observar o código RTL obtido. Realizar a simulação com entradas UNSIGNED e INTEGER na faixa de valores de 0 até 15, e analisar se o valor da saída está correto. Realizar a simulação com entradas SIGNED e INTEGER na faixa de valores de -8 até 7, e analisar se o valor da saída está correto. Ver pag. 39 a 54 de Aula 8 (15 ago) Tipos de Dados em VHDL. Classificação dos tipos de dados. Tipos de dados: BIT, BIT_VECTOR, BOOLEAN, INTEGER, NATURAL, POSITIVE, CHARACTER, STRING, STD_(U)LOGIG, STD_(U)LOGIG_VECTOR package standard is type boolean is (false,true); type bit is ('0', '1'); type severity_level is (note, warning, error, failure); type integer is range -2147483647 to 2147483647; type real is range -1.0E308 to 1.0E308; type time is range -2147483648 to 2147483647 units fs; ps = 1000 fs; ns = 1000 ps; us = 1000 ns; ms = 1000 us; sec = 1000 ms; min = 60 sec; hr = 60 min; end units; subtype natural is integer range 0 to integer'high; subtype positive is integer range 1 to integer'high; type string is array (positive range <>) of character; type bit_vector is array (natural range <>) of bit; PACKAGE std_logic_1164 IS TYPE std_ulogic IS ( 'U', -- Uninitialized 'X', -- Forcing Unknown '0', -- Forcing 0 '1', -- Forcing 1 'Z', -- High Impedance 'W', -- Weak Unknown 'L', -- Weak 0 'H', -- Weak 1 '-' -- Don't care ); TYPE std_ulogic_vector IS ARRAY ( NATURAL RANGE <> ) OF std_ulogic; SUBTYPE std_logic IS resolved std_ulogic; TYPE std_logic_vector IS ARRAY ( NATURAL RANGE <>) OF std_logic; Exemplo 3.1 Buffer Tri-state Importante: O terceiro estado 'Z' só pode ser usado em saídas, e a sua realização nos FPGAs só ocorre nos nós de I/O. Exemplo 3.2 Circuito com Saida "don't care" Tipos de dados: SIGNED e UNSIGNED Exemplo 3.3 Multiplicador (visto anteriormente) Aula 9 (16 ago) Tipos de dados predefinidos: FIXED e FLOAT (apenas conhecer) Resumo dos Tipos predefinidos. Tipo de Dado Package Library Valores Observações BOOLEAN standard std TRUE e FALSE sintetizável BIT standard std valores '0', '1' sintetizável INTEGER standard std números inteiros de 32 bits [de -2^31 até + (2^31 - 1)] sintetizável NATURAL standard std números inteiros não negativos [de 0 até + (2^31 - 1)] sintetizável POSITIVE standard std números inteiros positivos [de 1 até + (2^31 - 1)] sintetizável BOOLEAN_VECTOR standard (2008) std vetor de BOOLEAN sintetizável BIT_VECTOR standard std vetor de BIT sintetizável INTEGER_VECTOR standard std vetor de INTEGER sintetizável REAL standard std números reais [de -1.0E-38 até + 1.0E-38] simulação CHARACTER standard std caracteres ASCII STRING standard std vetor de CHARACTER STD_LOGIC std_logic_1164 ieee valores 'U', 'X', '0', '1', 'Z', 'W', 'L', 'H', '-' sintetizável STD_LOGIC_VECTOR std_logic_1164 ieee vetor de STD_LOGIC sintetizável SIGNED numeric_std ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável UNSIGNED numeric_std ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas sintetizável SIGNED numeric_bit ieee BIT_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável UNSIGNED numeric_bit ieee BIT_VECTOR que aceitam operações aritméticas sintetizável SIGNED std_logic_arith ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável (não é padrão) UNSIGNED std_logic_arith ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas sintetizável (não é padrão) UFIXED fixed_pkg + (2008) ieee números de ponto fixo sem sinal sintetizável SFIXED fixed_pkg + (2008) ieee números de ponto fixo com sinal sintetizável FLOAT float_pkg + (2008) ieee Números de ponto flutuante sintetizável Tipos definidos pelo usuário: Escalares (Inteiros e Enumerados) Tipos de Array 1D x 1D, 2D , 1D x 1D x 1D, 3D Exemplos Ex 3.5, Ex 3.6 e Ex 3.7 RECORD e SUBTYPE Uso de ARRAYs em portas Declaração do TYPE em PACKAGE Exemplo 3.8: Multiplexador com porta 1D x 1D.:: Ver pag. 60 a 73 de Aula 10 e 11 (22 e 23 ago) Qualificação de tipos, conversão de tipos (automática, casting e funções de conversão). Resumo das funções de conversão de tipos (Tabela 3.10) e ver Aritmética com vetores em VDHL Exercicio: Multiplicador/Divisor/Somador/Subtrator com sinal e sem sinal (entradas do tipo STD_LOGIC VECTOR) LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; USE ieee.numeric_std.all; ENTITY operadores IS PORT ( a, b: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); mult: OUT STD_LOGIC_VECTOR(? DOWNTO 0); div: OUT STD_LOGIC_VECTOR(? DOWNTO 0); sum: OUT STD_LOGIC_VECTOR(? DOWNTO 0); sub: OUT STD_LOGIC_VECTOR(? DOWNTO 0); ); END ENTITY; ARCHITECTURE type_conv_arch OF operadores IS BEGIN -- Inserir o código e definir o tamanho das saidas. END ARCHITECTURE; Ver pag. 73 a 78 de Aula 12 (24 ago) Operadores em VHDL. Operadores predefinidos: Atribuição, Lógicos, Aritméticos, Comparação, Deslocamento, Concatenação, "Matching". Sobrecarga de operadores Conversor de Binário para BCD Considere um número decimal entre 000 e 999. Usando operadores predefinidos, obtenha na saída os dígitos decimais separados. Escreva o código VHDL e analise o número de elementos lógicos necessários. Faça a simulação funcional do circuito. Fig. 20 - Simulação da conversão de binário para BCD Compare sua implementação com os outros estudantes e analise as diferenças, observe o código RTL, o número de elementos lógicos e também o tempo de propagação. Para separar os dígitos decimais do número de entrada pense nos operadores de "+", "-", "*", "/", "REM" e "MOD", shift. Para facilitar os testes e a troca de informações entre as equipes, a ENTITY deverá ter o seguinte formato: entity bin2bcd is port ( X_bin : in std_logic_vector(9 downto 0); -- 000 a 999 C_bcd : out std_logic_vector(3 downto 0); -- Centena D_bcd : out std_logic_vector(3 downto 0); -- Dezena U_bcd : out std_logic_vector(3 downto 0)); -- Unidade end entity; architecture example of bin2bcd is --declaração de sinais auxiliares begin --descrição do hardware end architecture; Note que com X_bin 10 bits é possível representar números sem sinal entre 0 e $2^{10}-1$. No entanto, os testes devem ser limitados a números entre 000 e 999, pois não há especificação para valores maiores que 999. Existe um algoritmo Double Dabble que possibilita fazer essa conversão com menos hardware. Dica para converter de INTEGER para STD_LOGIC_VECTOR de 4 bits. M_bcd <= std_logic_vector(to_unsigned(M,4)); Ver pag. 91 a 108 de Aula 13 (29 ago) Atributos em VHDL. Atributos predefinidos: tipo escalar e enumerados; tipo array; de sinal; Atributos de síntese: ATTRIBUTE enum_encoding [3] ATTRIBUTE chip_pin [4] ATTRIBUTE keep [5] Aula 14 (30 ago) Atributos em VHDL. Exemplo 4.4: Delay line (Síntese e Simulação temporal sem o com o atributo keep) Exemplo 5.8 Gerador de Pulsos estreitos ATTRIBUTE preserve [6], [7]. ATTRIBUTE noprune[8]. Exemplo 4.5: Registros redundantes (Síntese sem e com os atributos keep, preserve e noprune) ENTITY redundant_registers IS PORT ( clk, x: IN BIT; y: OUT BIT); END ENTITY; ARCHITECTURE arch OF redundant_registers IS SIGNAL a, b, c: BIT; -- NORMAL -- 1 LE --ATTRIBUTE preserve: BOOLEAN; --ATTRIBUTE preserve OF a, b, c: SIGNAL IS TRUE; -- 2 LE --ATTRIBUTE noprune: BOOLEAN; --ATTRIBUTE noprune OF a, b, c: SIGNAL IS TRUE; --3 LE --ATTRIBUTE keep: BOOLEAN; --ATTRIBUTE keep of a,b,c: SIGNAL IS TRUE; BEGIN PROCESS (clk) BEGIN IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN a <= x; b <= x; c <= x; END IF; END PROCESS; y <= a AND b; END ARCHITECTURE; Após a compilação do código acima, observe o número de elementos lógicos obtidos, observe o Technology Map dos circuitos gerados e verifique a localização dos FFs no Chip Planner. Fig 12. Technology Map do Circuito sem Attribute Fig 13. Technology Map do Circuito com Attribute Preserve (or Keep) Fig 14. Technology Map do Circuito com Attribute Noprune :: Ver pag. 91 a 111 de Ver: Medição de tempos de propagação em circuitos combinacionais Aula 15 (5 set) Atributos definidos pelo usuário; Uso da instrução ALIAS. Exemplo de uso de alias no pacote numeric_std.vhd function ADD_UNSIGNED (L, R: UNSIGNED; C: STD_LOGIC) return UNSIGNED is constant L_LEFT: INTEGER := L'LENGTH-1; alias XL: UNSIGNED(L_LEFT downto 0) is L; alias XR: UNSIGNED(L_LEFT downto 0) is R; variable RESULT: UNSIGNED(L_LEFT downto 0); variable CBIT: STD_LOGIC := C; begin for I in 0 to L_LEFT loop RESULT(I) := CBIT xor XL(I) xor XR(I); CBIT := (CBIT and XL(I)) or (CBIT and XR(I)) or (XL(I) and XR(I)); end loop; return RESULT; end ADD_UNSIGNED; NOTA: No exemplo acima, a CONSTANT L_LEFT recebe o tamanho do parâmetro (L), que pode ser qualquer. Esse tamanho é utilizado para criar dois ALIAS para os parâmetros L e R, utilizando uma indexação (L_LEFT DOWNTO 0). Com isso é possível dentro do FOR-LOOP criar os circuitos que realizam as operações lógicas que realizam a operação de soma.

Unidade 4 - Código Concorrente

Unidade 4 - Código Concorrente 4 AULAS + 1 Revisão (UN2-4) + 1 Avaliação A1 Aula 16 - (6 set) Código Concorrente. Uso de Operadores instrução WHEN-ELSE (WHEN) <optional_label>: <target> <= <value> when <condition> else <value> when <condition> else <value> when <condition> else ... <value>; Importante: O último ELSE deve cobrir todos os demais valores para evitar a criação de LATCHES. No QuartusII existe um template pronto para ser utilizado em: [Edit > Insert Template > Language templates = VHDL (+) > Constructs (+) > Concurrent Statemens (+) > Conditional Signal Assignment] instrução WITH-SELECT-WHEN (SELECT) <optional_label>: with <expression> select <target> <= <value> when <choices>, <value> when <choices>, <value> when <choices>, ... <value> when others; Importante: O valor deve cobrir todas as demais possibilidades usando WHEN OTHERS para evitar a criação de LATCHES. No QuartusII existe um template pronto para ser utilizado em: [Edit > Insert Template > Language templates = VHDL (+) > Constructs (+) > Concurrent Statemens (+) > Selected Signal Assignment]. Mas ATENÇÃO, faltam as virgulas após cada escolha. Exemplo 5.1 + 5.2 mux: com 3 tipos de arquiteturas (com portas, com WHEN-ELSE, com WITH-SELECT) Verifique os três circuitos considerando as entradas x0 a x3 e a saída y com apenas um elemento. Modifique os circuitos para que tenham as entradas x0 a x3 e a saída y com 4 elementos. No caso do uso de WHEN-ELSE e WITH-SELECT é só alterar o tamanho dos vetores STD_LOGIC_VECTOR. Qual é a solução para a descrição com portas? Para selecionar uma entre várias arquiteturas para a mesma ENTITY use a CONFIGURATION. CONFIGURATION which_mux OF mux IS FOR Operator_only END FOR; -- FOR with_WHEN END FOR; -- FOR with_SELECT END FOR; END CONFIGURATION; Ver pag. 121 a 127 de Aula 17 (10 set) Uso da instrução FOR-GENERATE label: FOR identificador IN faixa GENERATE [Parte_Declarativa BEGIN] Instruções_concorrentes ... END GENERATE [label]; Exercício - Dado o somador para 4 entradas a(0) até a(3), use o FOR-GENERATE para torná-lo um somador para N entradas. --------------------- -- FILE my_pkg.vhd -- --------------------- library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; package my_pkg is type a_slv is array(natural range <>) of std_logic_vector (3 downto 0); end package; --------------------------- -- FILE vector_adder.vhd -- --------------------------- library ieee work; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.numeric_std.all; use work.my_pkg.all; entity vector_adder is generic (N : natural := 4); port ( a : in a_slv (0 to N-1); soma : out std_logic_vector (3 downto 0)); end entity; -- Versão que realiza a soma diretamente, mas que precisa modificar o código de acordo com o número de entradas. architecture ifsc_v1 of vector_adder is signal soma_sig : signed(3 downto 0); begin -- soma_sig <= signed(a(0)) + signed(a(1)) -- soma_sig <= signed(a(0)) + signed(a(1)) + signed(a(2)) soma_sig <= signed(a(0)) + signed(a(1)) + signed(a(2)) + signed(a(3)); soma <= std_logic_vector(soma_sig); end architecture; -- Versão que realiza a soma usando um FOR GENERATE architecture ifsc_v2 of vector_adder is begin end architecture; --------------------------- -- FILE vector_adder.vhd -- --------------------------- configuration ifsc_cfg of vector_adder is -- for ifsc_v1 end for; for ifsc_v2 end for; end configuration; Ver pag. 127 a 134 de Aula 18 (12 set) Código Concorrente. Exemplo 5.4 - Decodificador genérico de endereços. Exemplo de uso de operadores e instrução WITH-SELECT. Exemplo 5.3 - Unidade de Lógica e Aritmética (ALU). Fazer as seguintes alterações do código da ALU: Inclusão de um sinal que indica "erro" quando ocorre overflow/underflow nas operações de soma, incremento ou decremento. Inclusão de um circuito que satura o sinal no máximo positivo ou negativo nas situações de erro. Teste da ALU usando simulação funcional. Aula 19 (19 set) Implmentação de conversor Binário para Gray Implementação de conversor Gray para Binário Implementação de incrementador Gray simulação funcional e temporal dos circuitos medição dos tempos de propagação. Aula 20 (20 set) Aula suspensa - Participação no SEPEI Aula 21 (21 set) Código Concorrente. Implementação de circuitos aritméticos com operadores. Para o uso dos operadores o mais adequado é utilizar o padrão industrial STD_LOGIC_VECTOR. Internamente os valores das portas devem ser convertidos ou para valores INTEGER ou para UNSIGNED/SIGNED. para tal é necessário utilizar a biblioteca numeric_std. Também é fundamental considerar a faixa de valores coberta por $N$ bits. Para tipos UNSIGNED a faixa é de $0$ até $2^{N}-1$, enquanto que para SIGNED a faixa é de $-2^{N-1}$ até $2^{N-1}-1$. Assim com 3 bits é possível representar valores entre -4 até 3 com um tipo SIGNED e 0 até 7 com um tipo UNSIGNED. Para uso adequado dos operadores também é necessário considerar o tamanho (número de bits) requerido para o resultado em função do tamanho dos operandos. Ver a declaração das funções "+", "-", "*" e "/" no PACKAGE Numeric std.vhd function "+" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED; -- Result subtype: UNSIGNED(MAX(L'LENGTH, R'LENGTH)-1 downto 0). -- Result: Adds two UNSIGNED vectors that may be of different lengths. function "-" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED; -- Result subtype: UNSIGNED(MAX(L'LENGTH, R'LENGTH)-1 downto 0). -- Result: Subtracts two UNSIGNED vectors that may be of different lengths. function "*" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED; -- Result subtype: UNSIGNED((L'LENGTH+R'LENGTH-1) downto 0). -- Result: Performs the multiplication operation on two UNSIGNED vectors -- that may possibly be of different lengths. function "/" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED; -- Result subtype: UNSIGNED(L'LENGTH-1 downto 0) -- Result: Divides an UNSIGNED vector, L, by another UNSIGNED vector, R. -- NOTE: If second argument is zero for "/" operator, a severity level of ERROR is issued. Para operações de "+" ou "-": O tamanho do resultado é igual ao tamanho do maior operando. Exemplo: r[7..0] = a[7..0] + b[4..0]; a -> 8 bits; b -> 5 bits então r -> 8 bits. Para a operações "*": O tamanho do resultado é igual a soma do tamanho dos dois operandos. Exemplo: r[12..0] = a[7..0] * b[4..0]; a -> 8 bits; b -> 5 bits então r -> 8+5 = 13 bits. Para "/": O tamanho do resultado é igual ao tamanho do numerador. Exemplo: r[5..0] = a[5..0] / b[8..0]; a -> 6 bits; b -> 9 bits então r -> 6 bits. No caso da operações de "*" e "/" não ocorre overflow, no entanto no caso da "+" e "-", o overflow/underflow pode ocorrer e precisa ser tratado. Isso pode ser feito acrescentando um bit adicional a saída para conter o overflow ou então sinalizar a sua ocorrência com um bit na saída do circuito. Note que no caso em que ocorrem sucessivas somas, é impraticável ficar aumentando o número de bits para evitar o overflow, de modo que a sinalização do overflow ou uso de escalas, ou representação em ponto fixo ou ponto flutuante podem ser as soluções a serem adotadas. No caso das operações de "+" e "-" também pode ser necessário tratar os sinais de carry in e carry out, que permitem ampliar o tamanho de um somador realizando a sua conexão em cascata, ao mesmo tempo que tratam o overflow. Exemplo 5.7 - Somador/Subtrator Recomendado. Implementar o circuito com 4 bits na entrada e 5 bits na saída (com signed e unsigned) Implementar o circuito com 4 bits na entrada e 4 bits na saída, e uma saída de cout para soma e para subtração Implementar um circuito multiplicador com 4 bits na entrada e 7 bits na saída. em todos os ciruitos acima onde possa ocorrer overflow(underflow), acrescentar um circuito para saturar a saída no máximo(mínimo). em todos os ciruitos acima onde possa ocorrer overflow(underflow), acrescentar um bit de saída que indique quando o resultado está com erro. Ver pag. 139 a 140 de

Unidade 5 - Código Sequencial

Unidade 5 - Código Sequencial 7 AULAS Aula 23 (26 set) Código Sequencial. Diferenças entre código concorrente e sequencial <=> circuitos combinacional e sequencial Diferenças entre os objetos SIGNAL e VARIABLE Tipos de elementos de memória: Latch x Flip-flop Latch D Flip-flop tipo D com reset assíncrono e com reset (clear) síncrono Seção de código sequencial PROCESS: lista de sensibilidade [rótulo:] PROCESS [(lista_de_sensibilidade)] [IS] [parte_declarativa] BEGIN afirmação_sequencial; afirmação_sequencial; ... END PROCESS [rótulo]; Instrução IF [rótulo:] IF condição THEN afirmação_sequencial; afirmação_sequencial; ... ELSIF condição THEN afirmação_sequencial; afirmação_sequencial; ... ELSE afirmação_sequencial; afirmação_sequencial; ... END IF [rótulo]; Exemplos: DFFs with Reset and Clear (Variação Ex 6.1), Ver pag. 161 a 160 de Aula 24 (27 set) Código Sequencial. Contador Básico 0-N (baseado no Ex.6.2) Registrador de deslocamento (Ex.6.3) Exercício: Implementar um conversor de transmissão de dados com entrada paralela e saída serial. Simular o circuito com 8 bits (ver detalhes no moodle) Aula 25 (3 out) Código Sequencial Instrução WAIT: WAIT UNTIL, WAIT FOR (simulação apenas), WAIT ON (não implementada no Quartus II). Recomenda-se utilizar a lista de sensibilidade do PROCESS e a instrução IF no lugar do WAIT. Algumas instruções de WAIT serão utilizadas na criação de TestBench em VHDL para a simulação com o MODELSIM. Instruções do tipo LOOP: LOOP incondicional, FOR-LOOP, WHILE-LOOP, NEXT, EXIT LOOP incondicional: [rótulo:] LOOP afirmação_sequencial; afirmação_sequencial; ... END LOOP [rótulo]; FOR-LOOP: [rótulo:] FOR identificador IN faixa LOOP afirmação_sequencial; afirmação_sequencial; ... END LOOP [rótulo]; WHILE-LOOP: [rótulo:] WHILE condição LOOP -- Executa as "afirmações enquanto a "condição" for verdadeira afirmação_sequencial; afirmação_sequencial; ... END LOOP [rótulo]; LOOP com EXIT: [rótulo:] [FOR identificador IN faixa] LOOP afirmação_sequencial; EXIT [rótulo] [WHEN condição]; -- Se a "condição" é verdadeira, termina o "LOOP" afirmação_sequencial; ... END LOOP [rótulo]; LOOP com NEXT: [rótulo:] [FOR identificador IN faixa] LOOP afirmação_sequencial; NEXT [rótulo] [WHEN condição]; -- Se a "condição" é verdadeira, não executa as linhas até a linha "END LOOP" -- e incrementa o "identificador". afirmação_sequencial; ... END LOOP [rótulo]; Exemplos: Carry-Ripple Adder (FOR-LOOP) (Ex 6.4) Leading Zeros (LOOP com EXIT) (Ex 6.5) Ver pag. 161 a 164 de Aula 26 (04 out) Avaliação A1 - UN2, UN3, UN4 Aula 27 (05 out) Código Sequencial. Instrução CASE [rótulo:] CASE expressão IS WHEN valor => atribuições; -- valor único ... WHEN valor1 | valor2 | ... | valorN => atribuições; -- lista de valores ... WHEN valor1 TO valor2 => atribuições; -- faixa de valores ... END CASE; Contador de 0 a 9 segundos com saída SSD (Ex 6.6). v1 - Unir o código de um contador de 0 a 9 (código sequencial), e o conversor de binário para sete segmentos (código concorrente) v2 - mudar o conversor para SSD de forma a usar código sequencial (CASE). v3 - incluir o conversor para SSD de forma a usar código sequencial (CASE)no mesmo processo que tem o contador de 0-9. Exercício 6.2: projetar um Contador de 0 a MAX com saída em código Gray. Projetar um circuito que permita obter um clock com período de 1 segundo, a partir de um sinal de clock com frequência de fclk = 50MHz. Aula 28 (10 out) Código Sequencial. Implementar no FPGA o circuito com contador de 0 a 9 segundos com saída SSD e clk de entrada de 50MHz. PROBLEMA: Uso de um período de clock de 20 ns => 50 MHz, verificar a impossibilidade prática de uma simulação deste circuito (1 segundo => 5 minutos de simulação), devido ao tamanho do contador (count1) que conta de 0 a 50M-1. SOLUÇÃO: modificar o contador para um valor máximo menor (0 a 50-1). Notar que a simulação é extremamente rápida neste caso. Após verificar que o circuito funciona "simulado", configurar o FPGA do kit Mercúrio IV para implementar este circuito. As informações necessárias estão em Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA. Utilize os pinos (clk = CLOCK_50MHz: PIN_T1, led = DISP0_D[7] : PIN_W1, ssd = DISP0_D[0-6]: PIN_V2 - PIN_W2). Como o conversor de binário para ssd realizado anteriormente tinha lógica negativa ('0' acende, '1' apaga), será necessário inverter todas as saídas ssd_out <= not ssd; Se quiser usar um led na matriz de led é necessário colocar '0' da coluna do Led e '1' na linha correspondente, ou seja utilizar um segundo pino para acender o led. Aula 29 (11 out) Projete um contador BCD de 00 a 99 configurável. Efetue a simulação funcional (Usando o QSIM e o Modelsim) fazendo a contagem de 00 a 11 e 00 a 23 (para hora) , de 00 a 59 (para minutos e segundos), e de 00 a 99. entity Count00_99 is port ( clk : in std_logic; bcd_U : out std_logic_vector(3 downto 0); bcd_D : out std_logic_vector(3 downto 0) ); end entity; Implementação de um relógio contador BCD de segundos. Utilizando o sistema anterior, inclua um contador em BCD de dois dígitos que permita fazer a contagem de 00 a 99, onde o valor final é configurável. Efetue a simulação funcional (Usando o QSIM e o Modelsim) fazendo a contagem de 00 a 11 e 00 a 23 (para hora) , de 00 a 59 (para minutos e segundos), e de 00 a 99. entity Timer00_99seg is port ( clk50MHz : in std_logic; clk1seg : out std_logic; SSD_Useg : out std_logic_vector(0 to 6); SSD_Dseg : out std_logic_vector(0 to 6) ); end entity; configure o FPGA do kit Mercúrio IV para implementar este circuito. Utilize os mostradores ssd DISP0_D e DISP1_D. Uso do Modelsim para simulação funcional. Ver Seguindo o tutorial da ALTERA para o MODELSIM, para utilizar o básico do MODELSIM. Pedroni VHDL 2ed Tutorial of ModelSim 10.1d ModelSim Video Tutorial - Kirk Weedman ModelSim® Tutorial -v10.0d Documentação do ModelSim, para conhecer mais a fundo o MODELSIM. Aula 30 (17 Out) Projeto e simulação com Modelsim do sistema Timer00-99 com display de 7 segmentos e divisor de clock. Na simulação definir o clk50MHz como 100ms para produzir um clk1sec com duração de 1 segundo. Corrigir o primeiro período de clock de clk1sec. É necessário fazer com que o sinal seja alto primeiro e depois vá para baixo de modo a garantir que a transição positiva ocorra depois de 1 segundo. IMPORTANTE: Também é necessário incluir um RESET em cada circuito que seja sequencial. Também é necessário iniciar o circuito com um reset de 10 ps na simulação. Perceber a necessidade de parametrizar o conversor de bcd2ssd para permitir displays do tipo CA e AA. (ler Display de 7 segmentos) Perceber a necessidade de incluir um sinal que indique o final da contagem no counter00_99. Esse sinal poderá ser usado como clock no relógio a ser projetado.

Unidade 6 - Projeto a nível de Sistema

Unidade 6 - Projeto a nível de Sistema 7 AULAS + 1 Revisão (UN5-6) + 1 Avaliação A2 Os alunos deverão se organizar em equipes de no máximo 2 alunos, Realizar um circuito de relógio de 24 horas com saída em display de 7 segmentos, conforme especificado no Moodle. O circuito deverá ser apresentado funcional, mostrado com simulação no Modelsim e implementado no FPGA DE2-115. Este projeto será feito extra-classe, e haverá bonus para a próxima avaliação para as equipes que: 1 - apresentar o primeiro circuito OK. 2 - apresentar o circuito com o menor número de elementos lógicos (se diferente do primeiro). 3 - apresentar o circuito com maior frequencia máxima (se diferente dos anteriores). Independente do bonus todas equipes deverão entregar o circuito na atividade indicada no Moodle. Aula 31 (19 out) Projeto a nível de Sistema. O PACKAGE e PACKAGE BODY: onde declarar e como usar. O COMPONENT: declaração (cópia da ENTITY) e instanciação. Assim a entity Timer00_99 ENTITY timer00_99seg GENERIC (D : INTEGER; fclock : INTEGER; U : INTEGER); PORT (clk50MHz : IN STD_LOGIC; RST : IN STD_LOGIC; clk1seg : OUT STD_LOGIC; SSD_Dseg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6); SSD_Useg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6)); END ENTITY; Será declarada como um COMPONENT COMPONENT timer00_99seg GENERIC (D : INTEGER; fclock : INTEGER; U : INTEGER); PORT (clk50MHz : IN STD_LOGIC; RST : IN STD_LOGIC; clk1seg : OUT STD_LOGIC; SSD_Dseg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6); SSD_Useg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6)); END COMPONENT; Associação dos nomes das portas aos sinais. PORT -> PORT MAP: Mapeamento por posição e nominal. comp1 : timer00_99seg GENERIC MAP (2, 10, 3) PORT MAP (clk50MHz,RST, clk1seg, SSD_Dseg, SSD_Useg); comp1 : timer00_99seg GENERIC MAP ( D => 2, U => 3, fclock => 10, PORT MAP ( clk50MHz => clk50MHz, RST => RST, clk1seg => clk1seg, SSD_Dseg => SSD_Dseg, SSD_Useg => SSD_Useg); Métodos de declaração de COMPONENT. Exemplo: Registrador Circular Ex. 8.2 Criação de COMPONENT redimensionáveis. GENERIC -> GENERIC MAP Exemplo: Porta E com N entradas. Exemplo: Detector de Paridade Ex. 8.3 Ver pag. 201 a 213 de Aula 32-33 (24-25 out) Instanciação de COMPONENT com GENERATE. Uso da instrução CONFIGURATION. Ligação direta: ARCHITECTURE-ENTITY. Ligação da instanciação dos componentes: COMPONENT-ENTITY(ARCHITECTURE). Implementação de um timer de 99 segundos usando componentes. entity timer00_99seg IS generic (fclk2 : natural := 50, D : natural := 5; U : natural := 9); port ( clk50MHz : in STD_LOGIC; clk_1seg: out STD_LOGIC; ssd_D : out STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6); ssd_U : out STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6) ); end entity; OBS O valor do fclk2 corresponde a metade do período do clock de entrada em Hz. Os valores D e U correspondem ao último valor do timer, depois desse valor o timer dever reiniciar a contagem. Componente 1 - Divisor de Clock, con o valor da divisão configurável pelo parâmetro fclk2 component div_clk is generic (fclk2 : natural := 50); -- frequecia para simulacao port ( clk : in std_logic; clk_out : out std_logic ); end component; ;OBS: *O valor do fclk2 corresponde a metade do período do clock de entrada em Hz. Componente 2 - Contador de 00 a 99 com saída em BCD, com o valor final configurável pelos parâmetros D e U component count00_99 is generic (D : natural := 9; U : natural := 9); port ( clk : in std_logic; clk_out : out std_logic; bcd_U : out std_logic_vector(3 downto 0); bcd_D : out std_logic_vector(3 downto 0) ); end component; OBS Os valores D e U correspondem ao último valor do timer, depois desse valor o timer dever reiniciar a contagem. Componente 3 - Conversor de BIN para SSD, com um parâmetro configurável ac_ccn para selecionar Anodo ou Catodo Comum. component bin2ssd is generic (ac_ccn : natural := 0); port ( bin_in : in std_logic_vector(3 downto 0); ssd_out : out std_logic_vector(0 to 6) ); end component; OBS O valor ac_ccn é utilizado para configurar o circuito entre ativo alto para display de catodo comum (ac_ccn=0), ou ativo baixo para display de anodo comum (ac_ccn=1). O timer deve utilizar os componentes acima de modo a resultar em um RTL semelhante ao mostrado abaixo. Simulação do timer com ModelSim. Na simulação definir o clk50MHz com duração de 10 ms. Faça uma simulação de pelo menos 60 segundos. OBS: É recomendável inserir um sinal de RESET em todos os circuitos sequenciais e ao iniciar a simulação do circuito começar com RESET ativo durante 10 ps. Após verificar que a simulação do circuito está funcionando, configurar um FPGA para implementar este circuito. Existem duas opções de kit disponíveis com displays de sete segmentos. As informações necessárias estão em Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA. Ao utilizar o kit DE2-115 da TERASIC, utilize os pinos (clk = CLOCK_50: PIN_Y2, rst = KEY[0]: PIN_M23, ssd = HEX0-5[0-6]: PIN_G18 - PIN_H22 ...). definição dos pinos </syntaxhighlight> Ao utilizar o kit Mercúrio IV da MACNICA, utilize os pinos (clk = CLOCK_50MHz: PIN_T1, led = DISP0_D[7] : PIN_W1, ssd = DISP0_D[0-6]: PIN_V2 - PIN_W2). definição dos pinos set_location_assignment PIN_T1 -to clk50MHz set_location_assignment PIN_V21 -to rst_in set_location_assignment PIN_R5 -to ssd_D[0] set_location_assignment PIN_T5 -to ssd_D[1] set_location_assignment PIN_T3 -to ssd_D[2] set_location_assignment PIN_T4 -to ssd_D[3] set_location_assignment PIN_M6 -to ssd_D[4] set_location_assignment PIN_N7 -to ssd_D[5] set_location_assignment PIN_N6 -to ssd_D[6] set_location_assignment PIN_V2 -to ssd_U[0] set_location_assignment PIN_V1 -to ssd_U[1] set_location_assignment PIN_U2 -to ssd_U[2] set_location_assignment PIN_U1 -to ssd_U[3] set_location_assignment PIN_Y2 -to ssd_U[4] set_location_assignment PIN_Y1 -to ssd_U[5] set_location_assignment PIN_W2 -to ssd_U[6] set_location_assignment PIN_W1 -to clk_1seg </syntaxhighlight> Analise o diagrama esquemático como funcionam as chaves e também o tipo de display. Note que no projeot o signal RST foi descrito como normalmente ALTO, podendo ser necessário acrescentar um inversor para ter o funcionamento correto. O Display de 7 segmentos da DE2-115 é do tipo catodo comum, enquanto que na MERCURIO IV ele é do tipo anado comum. Aula 36 (31 Out) Projeto a nível de Sistema. FUNCTION e PROCEDURE (são chamados de subprogramas), e podem ser construídos em um PACKAGE, ENTITY, ARCHITECTURE, ou PROCESS. A instrução ASSERT é útil para verificar as entradas de um subprograma. Seu propósito não é criar circuito, mas assegurar que certos requisitos são atendidos durante a sintese e/ou simulação. Pode ser condicional ou incondicional (condição_booleana = FALSE). A sintaxe da instrução é: [rótulo:] assert condição_booleana [report mensagem] [severity nivel_severidade]; A mensagem pode ser criada usando STRINGs que podem ser concatenadas. O nível de severidade pode ser NOTE (para passar informação para o compilador/simulator), WARNING (para informar que algo não usual ocorreu), ERROR (para informar que alguma condição não usual "sério" ocorreu), ou FAILURE (para informar que uma condição não aceitável ocorreu). Normalmente o compilador para quando ocorre um ERROR ou FAILURE. ERROR é o valor "default" [9]. A FUNCTION: declaração, uso, mapeamento posicional x nominal, PURE x IMPURE. function nome_funçao (lista_parametros_entrada) return tipo_saida is declarações begin afirmações sequenciais end function; Uso de FUNCTION e ASSERT. Exemplo: Declaração em ARCHITECTURE Ex.9.1 Exemplo: Declaração em PACKAGE Ex. 9.2 Exemplo: Declaração em ENTITY Ex. 9.3 Abaixo segue um exemplo de cálculo do log2 de um número inteiro. Pode ser usado para determinar o número de bits necessário para um número natural. function log2c (n : integer) return integer is variable m , p : integer; begin m := 0; p : = 1; while p < n loop m : = m + 1; p := p * 2; end loop; return m; end log2c;

Unidade 7 - Maquinas de Estado Finitas

Unidade 7 - Maquinas de Estado Finitas 2 AULAS Aula 37 (7 nov) Introdução ao Projeto de Maquinas de Estado Finitas (FSM) em VHDL O que é uma FSM - Finite State Machine Modelo de FSM LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; ---------------------------------------------------------- ENTITY < entity_name > IS PORT ( clk, rst : IN STD_LOGIC; input : IN < data_type > ; output : OUT < data_type >); END < entity_name > ; ---------------------------------------------------------- ARCHITECTURE < architecture_name > OF < entity_name > IS TYPE state IS (A, B, C, ...); SIGNAL pr_state, nx_state : state; ATTRIBUTE ENUM_ENCODING : STRING; --optional attribute ATTRIBUTE ENUM_ENCODING OF state : TYPE IS "sequential"; BEGIN ------Logica Sequencial da FSM:------------ PROCESS (clk, rst) BEGIN IF (rst = '1') THEN pr_state <= A; ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN pr_state <= nx_state; END IF; END PROCESS; ------Logica Combinacional da FSM:------------ PROCESS (pr_state, input) BEGIN CASE pr_state IS WHEN A => output <= < value > ; IF (input =< value >) THEN nx_state <= B; ... ELSE nx_state <= A; END IF; WHEN B => output <= < value > ; IF (input =< value >) THEN nx_state <= C; ... ELSE nx_state <= B; END IF; WHEN ... END CASE; END PROCESS; ------Seção de Saída (opcional):------- PROCESS (clk, rst) BEGIN IF (rst = '1') THEN new_output <= < value > ; ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN --or clk='0' new_output <= output; END IF; END PROCESS; END < architecture_name > ; Usando o template acima descreva em VHDL a FSM indicada na Figura 11.1. Faça a simulação da FSM com Modelsim utilizando um testbench em VHDL que faça a FSM seguir os estados rst -> A -(x=0)-> A -(x=1)-> A -(x=2)-> B -(x=2)-> B -(x=0)-> C -(x=0)-> C -(x=2)-> C -(x=1)-> A -(x=2)-> B -(x=1)-> A. Ver pag. 277 a 35 de Introdução ao Projeto de Maquinas de Estado Finitas (FSM) em VHDL Exemplo 11.1 Controlador de uma máquina de Venda Compile o código mostrado no Exemplo 11.1. Simule a FSM com Modelsim utilizando um testbench em VHDL para gerar o teste mostrado na figura abaixo. Exercício: Altere a FSM para vender doces que custam 30 centavos. Considere que as moedas aceitas são 5, 10, 25 e 50 centavos. Desenho primeiro a FSM e em seguida implemente-a em VHDL e faça a simulação.

Unidade 8 - Testbench

Unidade 8 - Testbench 1 AULA Aula 42 (28 nov) Simulação de sistemas digitais com Modelsim e testbench em VHDL Tipos de simulação: 1) simulação funcional (usando o QSIM) com entrada gráfica e análise gráfica da saída - OK já visto desde CIL29003 2) simulação temporal (usando o QSIM) com entrada gráfica e análise gráfica da saída - OK já visto desde CIL29003 3) simulação funcional (usando o ModelSim) com entrada gráfica (gerado com comandos force) e análise gráfica da saída - OK já visto 4) simulação temporal (usando o ModelSim) com entrada gráfica (gerado com comandos force) e análise gráfica da saída - Não será visto 5) simulação funcional (usando o ModelSim) com entrada VHDL e análise gráfica da saída - Será visto nesta Unidade 6) simulação temporal (usando o ModelSim) com entrada VHDL e análise gráfica da saída - Será visto nesta Unidade 7) simulação funcional (usando o ModelSim e Matlab) com entrada VHDL e análise em VHDL da saída. 8) simulação temporal (usando o ModelSim e Matlab) com entrada VHDL e análise em VHDL da saída. Simular a maquina de venda de doces Ex 11.1 DICA: Use o comando do Quartus II para gerar um template para o testbench. Selecione cada componente como TOP LEVEL e faça a ANÁLISE E SÍNTESE em seguida (Processing > Start > Start Test Bench Template Writer). Criação de sinais para Test Bench em VHDL Geração de sinal de clock -- DECLARAR constant tclk: time := 1 ns; signal clk : std_logic := '0'; -- CLOCK COM PERIODO DE 2*tclk (COM CÓDIGO CONCORRENTE) clk <= not clk after tclk; -- CLOCK COM PERIODO DE 2*tclk (COM CÓDIGO SEQUENCIAL) PROCESS BEGIN clk <= '1'; wait for tclk; clk <= '0'; wait for tclk; END PROCESS; Geração de sinal de reset -- DECLARAR constant treset: time := 100 ps; signal reset : std_logic; -- RESET COM DURAÇÃO DE treset (COM CÓDIGO CONCORRENTE) reset <= '1', '0' after treset; -- RESET COM DURAÇÃO DE treset (COM CÓDIGO SEQUENCIAL) PROCESS BEGIN reset <= '1'; wait for treset; reset <= '0'; wait; END PROCESS; Geração de uma sequencia binária -- DECLARAR constant t_a: time := 100 ps; constant Nbits: natural := 8; signal a : std_logic_vector(Nbits-1 downto 0); -- GERAÇÂO DO SINAL a = [0 1 2 3 4 ...] COM DURAÇÃO DE t_a em cada valor (COM CÓDIGO SEQUENCIAL) PROCESS BEGIN for i in 0 to 2**Nbits-1 loop a <= std_logic_vector(to_unsigned(i,Nbits)); wait for t_a; end loop; END PROCESS; Geração de uma sequencia pseudoaleatória -- DECLARAR constant t_a: time := 100 ps; constant Nbits: natural := 8; signal a : std_logic_vector(Nbits-1 downto 0) := (0 => '1', 3 => '1', others => '0'); -- GERAÇÂO DO SINAL a COM DURAÇÃO DE t_a em cada valor (COM CÓDIGO SEQUENCIAL) -- USANDO UM CONTADOR LFSR PROCESS BEGIN for i in 0 to 2**Nbits-1 loop a <= (a(0) xor a(2) xor a(3) xor a(4)) & a(Nbits-1 downto 1); -- para 8 bits wait for t_a; end loop; END PROCESS;

Unidade 9 - Projeto Final

Unidade 9 - Projeto Final 9 AULAS Aula 37 (7 nov) (metade da aula) Projeto Final - Especificação do sistema de controle de travessia de pedestres Aula 41 (22 nov) Projeto Final - Sistema de controle de travessia de pedestres trabalho desenvolvido em equipes durante as aulas o professor está disponível para o esclarecimento de dúvidas e orienta o trabalho Aula 43 e 44 (29 e 30 nov) Projeto Final - Sistema de controle de travessia de pedestres trabalho desenvolvido em equipes durante as aulas o professor está disponível para o esclarecimento de dúvidas e orienta o trabalho Aula 45 e 46 (5 e 6 dez) Projeto Final - Sistema de controle de travessia de pedestres trabalho desenvolvido em equipes durante as aulas o professor está disponível para o esclarecimento de dúvidas e orienta o trabalho Aula 47 e 48 (12 e 13 dez) Projeto Final - Sistema de controle de travessia de pedestres trabalho desenvolvido em equipes durante as aulas o professor está disponível para o esclarecimento de dúvidas e orienta o trabalho Aula 49 (14 dez) Projeto Final - controle de travessia de pedestres Apresentação do sistema no kit FPGA pelas equipes.

Avaliações

Atividade Relâmpago (AR)

As atividades relâmpago são atividades avaliativas opcionais que darão BôNUS adicionais ao aluno na próxima avaliação. Elas normalmente consistem de soluções simples para algum problema ou sistema. Elas são enunciadas na aula, e o prazo e a entrega serão definidos no Moodle. Não são aceitas entregas tardias, e apenas 2 alunos podem receber o bonus. A pontuação das atividades é informada a cada atividade.

Avaliação A1

• Conteúdo avaliado serão as unidades 2 a 4 (cap 1 - 5)
• Data da avaliação (04/10/2018) - Local: LabReCom.

Avaliação A2

• Conteúdo avaliado serão as unidades 5 a 7 (Cap 6 a 9)
• Data da avaliação (14/11/2018) - Local: LabReCom.

Recuperação R12

• Conteúdo avaliado será as unidades 2 a 7
• Data da avaliação (18/12/2018 das 7h30 as 8h40) - Local: LabReCom.

As avaliações A1 e A2 são com consulta apenas as folhas de consulta entregues VHDL QUICK REFERENCE CARD e VHDL 1164 PACKAGES QUICK REFERENCE CARD, e as tabelas das figuras 3.6, 3.10 e 4.1 do livro do Pedroni. Dica use também como fonte de consulta os templates do Quartus.

Ao final das avaliações o aluno deverá enviar a avaliação para a plataforma Moodle com os arquivos solicitados.

Projeto Final (PF)

• O projeto final é uma atividade de avaliação desenvolvida em equipe, e consiste no desenvolvimento de um sistema que aplica os conhecimento adquiridos durante o semestre. A avaliação do projeto final corresponde a no mínimo 45% do peso no conceito final. São avaliados no projeto final os quesitos: 1) Sistema desenvolvido (projeto, simulação e realização, demostração do harware); 2) Relatório com a documentação completa do projeto; 3)

APF - Projeto Final - Sistema de controle de passagem de pedestre (Entrega e prazos ver Moodle)

Cada equipe de 2 ou 3 alunos deverá desenvolver um sistema de controle de passagem de pedestre. FONTE: Imagem cedida por Yan Lucas Martins e Guilherme José Salles Vieira A descrição exata do funcionamento deve ser obtida com o cliente durante a entrevista de requisitos. Alguns detalhes gerais: O semáforo de passagem de pedestres é controlado por botões que os pedestres acionam do lado 1 ou 2 da passagem de pedestres para solicitar a travessia. Ao ser acionado o semáforo pode: 1) liberar imediatamente a passagem do pedestre se não houver veículos circulando na via 1 e via 2. 2) aguardar até T_espera segundos (configurável) se houver veículos circulando. Os grupos focais das vias 1 e 2 devem ser do tipo progressivo (GFPv), usando um display com dois dígitos para indicar o tempo restante no estado verde ou vermelho. A passagem de pedestre tem: 1) um botão em cada lado da passagem; 2) um sistema para iluminação noturna da passagem de pedestre, 3) dois grupos focais progressivos (GFPp) com lampadas verdes e vermelhas e um display com dois dígitos para indicar o tempo restante no estado verde; 4) um sistema que emite sons indicativos para auxilio aos deficientes visuais; 5) um sistema que emite vibrações mecânicas para auxilio aos deficientes auditivos e visuais. A iluminação deve acender assim que um botão for acionado e apagar novamente quando o GFPp passar de verde para vermelho. O tempo de passagem do pedestre (T_travessia) é configurável (default = 5s x Nvias). Se não houver acionamento do botão de solicitação de passagem do pedestre, as vias 1 e 2 devem permanecer sempre em verde. O sistema de controle do semáforo poderá ser descrito através de máquinas de estado finita (FSM). Para a FSM sugere-se utilizar GENERIC para definir os tempos tempos. O sistema de controle das FSM será baseado no valor de um timer de segundos externo a FSM (conforme mostrado em aula). O sistema será implementado no kit FPGA DE2-115 usando os leds disponíveis ou pinos da GPIO para acionar leds externos, e chaves para implementar os botões e sensores de veículos. Os sinais de relógio necessários deverão ser obtidos a partir do sinal de clock da placa de 50MHz. Durante as simulações esse circuito deverá ter seu valor alterado de modo a viabilizar a simulação. O arquivo QAR do projeto, e os arquivos .do e o testbench .vht para o MODELSIM devem ser enviados antecipadamente; Escreva um relatório técnico contendo os resultados em no máximo 10 paginas A4. O relatório além das tabelas com os dados de frequência máxima, número de componente, número de pinos, deverá conter a figura dos circuitos RTL da ENTITY top level com uma explicação do seu funcionamento. Também devem ser apresentadas as simulações funcionais e uma análise textual dos resultados obtidos. A descrição da função dos pinos no Kit DE2-115 também deve ser feita. Ver inspirações adicionais para o projeto em Código de Trânsito Brasileiro - LEI Nº 9.503, DE 23 DE SETEMBRO DE 1997, Art 68 a 71 Cálculo da distância de parada de um veículo [10]. Exemplo de uma travessia de pedestre [11] Tipos de travessia de pedestre no Reino Unido [12] Serão dadas duas bonificações no projeto 1) (BONUS 1 ponto) para a equipe que desenvolver a melhoria que for considerada a melhor pelo cliente. 2) (BONUS 1 ponto) para a equipe que usar o menor número de componentes no projeto (menor custo).

Atividades Extraclasse (AE)

• Entrega dos Atividades Extraclasse ao longo do semestre AE(0) a AE(N). A entrega, detalhes e prazos serão indicados na plataforma Moodle.

Estudos livres sem entrega de documentação (EL)

• Os estudos livres são fortemente recomendados aos alunos como forma de melhor compreender o assunto estudado em cada unidade. Nas listas de exemplos e exercícios, os essenciais estão destacados em negrito. Não há prazos nem entregas desses estudos no Moodle, mas pede-se que os alunos realizem esses estudos e tirem suas dúvidas nas aulas destinadas a resolução de exercícios, ou nos minutos iniciais das aulas.

EL1 - Resolução dos exercícios do Cap 2

Resolva os exercícios do capítulo 2 (1, 2, 3) pag. 28 a 30 Exercise 2.1 Multiplexer: Complete o código VHDL abaixo para que ele seja correspondente a um multiplexador que selecione a entrada A quando sel ="01", B quando sel ="10", coloque "0...0" na saída quando sel ="00" e mantenha a saída em alta impedância "Z...Z" quando sel="11". Compile o código e em seguida faça a simulação, para verificar se o circuito funciona conforme especificado. Anote as mensagens de warning do compilador. --------------------------------------- -- File: mux.vdh --------------------------------------- -- Declaração das Bibliotecas e Pacotes -- LIBRARY ieee; USE _________________________ ; --------------------------------------- -- Especificação das entradas e saídas e nome da ENTITY ENTITY mux IS PORT ( __ , __ : ___ STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); sel : IN ____________________________ ; ___ : OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0)); END _____ ; --------------------------------------- ARCHITECTURE example OF _____ IS BEGIN PROCESS (a, b, ____ ) BEGIN IF (sel = "00") THEN c <= "00000000"; ELSIF (__________) THEN c <= a; _____ (sel = "10") THEN c <= __; ELSE c <= (OTHERS => '__'); END ___ ; END _________ ; END _________ ; ---------------------------------------

EL2 - Resolução dos exercícios do Cap 3
Resolva os exercícios do capítulo 3 (1, 2, 9, 11, 12, 13, 14-17, 18-20, 22, 23-30) pag. 81 a 89

EL3 - Resolução dos exercícios do Cap 4
Resolva os exercícios do capítulo 4 (4-8, 9, 10-11, 13, 15-16, 17 ) pag. 115 a 120

EL4 - Resolução dos exercícios do Cap 5
Resolva os exercícios do capítulo 5 (1, 2, 3, 4, 6, 7, 8-9, 10-11, 14-16, 17-18, 19 ) pag. 144 a 150

EL6 - Resolução dos exercícios do Cap 6
Resolva os exercícios do capítulo 6 (1, 2, 3-4, 5, 6-7, 9*, 10-11, 12*, 13*, 14, 15) pag. 172 a 176.

EL7 - Resolução dos exercícios do Cap 8
Resolva os exercícios da capítulo 8 (1-7, 9*) pag. 219 a 220.

EL8 - Resolução dos exercícios do Cap 9
Resolva os exercícios da capítulo 9 (1-4, 6-9) pag. 238 a 239.

Referências Bibliográficas:

Curso de Engenharia de Telecomunicações