DLP29006-Engtelecom(2019-2) - Prof. Marcos Moecke

MURAL DE AVISOS E OPORTUNIDADES DA ÁREA DE TELECOMUNICAÇÕES

Registro on-line das aulas

Unidade 1 - Introdução a disciplina

Unidade 1 - Introdução a disciplina 3 AULAS Aula 1 (29 jul) Apresentação da disciplina Os materiais, prazos, documentação, histórico de trabalhos anteriores estão publicados nesta wiki. A página da disciplina de DLP1 contem os materiais que não alteram entre semestre. Nesta página está o Registro Diário e Avaliação, que varia de semestre para semestre. Para a realização e entrega das atividades será utilizada a Plataforma Moodle de DLP29006. Chave para auto inscrição (engtelecom2019-2) Aula 2 (31 jul) 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 Aula 3 (2 ago) Acesso a nova nuvem do IFSC 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 ao IFSC-CLOUD (NUVEM) Siga o procedimento descrito em: Conhecendo os dispositivos lógicos programáveis Ler pag. 413 a 431 de ou pag. 495 a 501 de de . Leituras complementares para a unidade Historia, processo de produção dos chips. A Brief History of the Fabless Semiconductor Industry Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (TSMC), 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] http://www.dcc.ufrj.br/~gabriel/circlog/DispLogPro.pdf https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/530826/mod_resource/content/1/DISPOSITIVOS%20L%C3%93GICOS%20PROGRAM%C3%81VEIS_2014.pdf Curiosidades do mundo digital The Silicon Engine Timeline

Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS

Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS 3 AULAS Aula 4 (5 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 5 (8 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. Tutorial do QSIM - Introduction to Simulation of VHDL Designs da ALTERA. 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. Aula 6 (12 ago) 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 Estrutura do código VHDL Modifique o circuito do flip-flop para que ele passe a ter 4 flip-flops Figura 2.5 - RTL 4 FF ATUAL Aula 7 (14 ago) Realize as simulações funcional e temporal do circuito usando o QSIM. 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 possível 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 frequência do clock esperada através da seguinte linha: create_clock -name CLK50MHz -period 50MHz [get_ports {*}] Realize as simulações funcional do circuito usando o Modelsim. PASSO 1a: Abra o Modelsim /opt/altera/13.0sp1/modelsim_ae/bin/vsim PASSO 1b: Resete o Layout do Modelsim (caso tenha feito alguma modificação e não saiba como retornar ao original) (Layout > Reset). PASSO 1c: Mude para a pasta onde está o projeto, usando a barra de menu (File > Change Directory... [Escolha a pasta]. Ou via linha de comando na janela de transcript. cd /home/nome_usuario/nome_pasta/... PASSO 1d: Confira se está na pasta correta pwd ls PASSO 1e: Compile o arquivo vhd do projeto. (Compile > Compile... selecione [n_Flip_Flop.vhd] e clique em [Compile]). Responda a [Create Library?] com [Yes]. Em seguida clique em [Done]. Ou vlib work vcom -work work n_flip_flop.vhd PASSO 1f: Inicie a simulação (Simulation > Start Simulation... na aba [Design] selecione a Entity [n_Flip_Flop] no Package work e clique em [OK]. Ou vsim work.n_flip_flop PASSO 2a: Inicie a criação dos sinais de entrada da Entity. Clique_direito sobre o nome da Entity na janela Library, e em seguida selecione [Create Wave]. Ou wave create -pattern none -portmode in -language vhdl -range N 1 /n_flip_flop/d wave create -pattern none -portmode in -language vhdl /n_flip_flop/clk wave create -pattern none -portmode in -language vhdl /n_flip_flop/rst wave create -pattern none -portmode out -language vhdl -range 1 N /n_flip_flop/q Será aberta uma janela [Wave] na qual irão ser mostrados as 3 portas de entrada da Entity e a porta de saída. Clique sobre o sinal da porta de saída e [Delete], pois esse sinal não será editado. Aproveite para arrastar com o mouse os sinais na janela Wave para ficarem na seguinte ordem: rst, clk, d. PASSO 2b: Crie o sinal de rst como um pulso de valor '1' entre 20 e 30 ns. Clique_direito sobre o sinal rst e selecione [Edit > Create/Modify Waveform] e escolha [Patterns = Constant], [Start Time = 0] [End Time = 1000] [Time Unit = ps] e clique em [Next], [Value = 0] e clique em [Finish]. Ou wave modify -driver freeze -pattern constant -value 0 -starttime 0ps -endtime 1000ps Edit:/n_flip_flop/rst Clique_direito sobre o sinal rst e selecione [Edit > Create/Modify Waveform] e escolha [Patterns = Constant], [Start Time = 20] [End Time = 30] [Time Unit = ps] e clique em [Next], [Value = 0] e clique em [Finish]. Ou wave modify -driver freeze -pattern constant -value 1 -starttime 20ps -endtime 30ps Edit:/n_flip_flop/rst PASSO 2c: Crie o sinal de clk com um período de 100ps, iniciando em alto. Clique_direito sobre o sinal clk e selecione [Edit > Create/Modify Waveform] e escolha [Patterns = Clock], [Start Time = 0] [End Time = 1000] [Time Unit = ps] e clique em [Next], [Initial Value = 1], [Clock Period = 100ps], [Duty Cycle = 50] e clique em [Finish]. Ou wave modify -driver freeze -pattern clock -initialvalue 1 -period 100ps -dutycycle 50 -starttime 0ps -endtime 1000ps Edit:/n_flip_flop/clk PASSO 2d: Crie o sinal de d como sendo uma contagem entre "0000" e "1111" Clique_direito sobre o sinal d e selecione [Edit > Create/Modify Waveform] e escolha [Patterns = Clock], [Start Time = 0] [End Time = 1000] [Time Unit = ps] e clique em [Next], [Start Value = 0000], [End Value = 1111], [Time Period = 120ps], [Counter Type = Range], [Count Direction = Up], [Step Count = 1], [Repeat = Forever] e clique em [Finish]. Ou wave modify -driver freeze -pattern counter -startvalue 0000 -endvalue 1111 -type Range -direction Up -period 120ps -step 1 -repeat forever -range 4 1 -starttime 0ps -endtime 1000ps Edit:/n_flip_flop/d PASSO 2e: Insira o sinal de saída q na janela Wave. Clique sobre o sinal q na janela Objects e solte-o na janela Wave. Ao final desses passos a janela Wave deverá estar conforme mostrado abaixo: Figura 2.7 - Edição do Waveform de 4 FF 1000ns no Modelsim PASSO 3: Realize a simulação de 1000 ps Opção 1: Clique 10 vezes sobre o icone [Run] ou [F9] Opção 2: Digite 10 vezes o comando run na janela Transcript (cada run dura o tempo indicado ao lado esquerdo do icone [Run] Opção 3: Digite o comando run 1000 ps Opção 4: Digite o comando run -all (será executado o tempo necessario para concluir os sinais que foram desenhados. PASSO 4: Análise da simulação Selecione com o shift_clique_esquerdo do mouse os sinas d e q (barramentos de 4 bits) e em seguida clique_direito e selecione [radix > unsigned]. A janela Wave deverá estar conforme mostrado abaixo: Figura 2.8 - Simulação funcional de 4 FF 1000ns no Modelsim Note que a saída q está com (Forcing Unknown - (X em vermelho) entre 0 e 20 ps. Isso ocorre pois antes de aplicar o RESET o Flip Flop tem valor desconhecido. Por isso é sempre importante aplicar um RESET logo ao iniciar a simulação de um circuito sequencial. Note que as mudanças na saída q ocorrem sempre na transição de subida do sinal do CLOCK. Mudanças que ocorrem na entrada do sinal d não afetam a saída. Experimente mudar o sinal de entrada d com períodos diferentes (e.g. 60ps) e repita a simulação. Inclua um pequeno pulso de RESET na instante 530ps. PASSO5: Criação de um teste bench com arquivo .do Use os comandos da janela de transcript para criar um arquivo tb_FF.do que permite repetir de forma automatica o teste realizado. ################################ # FILE : tb_FF.do # AUTOR: Marcos Moecke # DATA : 14 de agosto de 2019 ################################ #criacao da library work vlib work #compilacao da entity nome.vhd (nao necessita ser compilado no quartus II) vcom -work work n_flip_flop.vhd #simulacao na entity nome.vhd vsim work.n_flip_flop #edicao do sinal rst wave create -pattern none -portmode in -language vhdl /n_flip_flop/rst wave modify -driver freeze -pattern constant -value 0 -starttime 0ps -endtime 1000ps Edit:/n_flip_flop/rst wave modify -driver freeze -pattern constant -value 1 -starttime 20ps -endtime 30ps Edit:/n_flip_flop/rst #edicao do sinal clock wave create -pattern none -portmode in -language vhdl /n_flip_flop/clk wave modify -driver freeze -pattern clock -initialvalue 1 -period 100ps -dutycycle 50 -starttime 0ps -endtime 1000ps Edit:/n_flip_flop/clk #edicao do sinal d wave create -pattern none -portmode in -language vhdl -range N 1 /n_flip_flop/d wave modify -driver freeze -pattern counter -startvalue 0000 -endvalue 1111 -type Range -direction Up -period 120ps -step 1 -repeat forever -range 4 1 -starttime 0ps -endtime 1000ps Edit:/n_flip_flop/d #inclusao do sinal de saida q (como BINARY) add wave -position end sim:/n_flip_flop/q #inclusao do sinal de saida q (como UNSIGNED) add wave -position end -radix hexadecimal sim:/n_flip_flop/q #execucao da simulacao inteira run -all #reinicio do tempo e simulacao restart #execucao da simulacao por 1000 ps run 1000 ps

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 (XX/XX/2019) - Local: LabSiDi.

Avaliação A2

• Conteúdo avaliado serão as unidades 5 a 7 (Cap 6 a 9)
• Data da avaliação (XX/XX/2019) - Local: LabSiDi.

Recuperação R12

• Esta avaliação somente será realizada se necessária, e deverá ser feita na última semana letiva do semestre
• Conteúdo avaliado será as unidades 2 a 7
• Data da avaliação (XX/XX/2019) - Local: LabSiDi.

As avaliações A1 e A2 são com consulta apenas as folhas de consulta entregues:

• VHDL Quick Reference - SynthWorks
• VHDL Types and Operators Quick Reference - SynthWorks
• ModelSim Quick Reference - SynthWorks
• Tabelas das figuras 3.6, 3.10 e 4.1 do livro do Pedroni.
• Arquivo:Numeric std conversions.png

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) A avaliação individual do aluno durante o desenvolvimento do projeto e/ou entrevista (avaliação oral).