DLP29006-Engtelecom (Diário) - Prof. Marcos Moecke

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Unidade 1 - Introdução a disciplina

• 4 ENCONTROS

Unidade 1 - Introdução a disciplina

Aula 1 (31 mar.) APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA Os materiais, prazos, documentação, histórico de trabalhos anteriores estão publicados nesta wiki. A PÁGINA DA DISCIPLINA contem os materiais que não alteram entre semestre. Nesta página está o REGISTRO DIÁRIO E AVALIAÇÕES. Para a realização e entrega das atividades será utilizada a plataforma Moodle. Para a comunicação entre professor-aluno, além dos avisos no SIGAA, utilizaremos o chat institucional. É necessário que forneçam o seu email institucional para serem cadastrados. Para participar das aulas é recomendado que o aluno acesse a Nuvem do IFSC ou instale a VM com softwares Quartus II e Modelsim. Aula 2 (5 abr.) 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 1.3a - Architetura do PLD EP1800 da ALTERA Fonte: https://www.altera.com/solutions/technology/system-design/articles/_2013/in-the-beginning.html. Figura 1.3b - Architetura do PLD EP1800 da ALTERA 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. 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/INTEL, ARROW,Digikey Fabricantes de DLPs/FPGAs e familias de DLPs atuais. ALTERA/INTEL - Stratix, Arria, Cyclone, Max Xilinx - Virtex, Kintex, Artix, Zynq (SoC) Microsemi - Igloo Lattice - ECP, iCE, Mach Ver também: Níveis lógicos FPGA History FPGA Design and programming FPGA Basic process technology types FPGA Major manufacturers Review of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) by Volnei A. Pedroni Aula 3 (7 abr.) Arquitetura de FPGAs (Xilinx e Altera): CLB, LAB, RAM, DSP, Clock, PLL, I/O Exemplos de FPGA Figura 1.7 - Arquitetura simplificada de FPGA da Intel/Altera e Xilinx Fonte: pag. 423. Figura 1.8 - Diagrama simplificado da Slice L de um FPGA Xilinx Fonte: pag. 424. Figura 1.9 - Diagrama simplificado da ALM de um FPGA Intel/Altera Fonte: pag. 425. Figura 1.10 - Leiaute de um FPGA Intel/Altera Fonte: pag. 426. Figura 1.11 - Leiaute de um FPGA Xilinx genérico Fonte: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750678667500032. Figura 1.12 - Roteamento de sinal em um FPGA Fonte: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750678667500032. Figura 1.13 - Tecnologias usadas na configuração de FPGAs Fonte: https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/one-time-programmable. Ler pag. 413 a 431 de ou pag. 495 a 501 de de . Assitir Many types of FPGAs Coursera 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] 5 nm process, multi-gate MOSFET GLOBALFOUNDRIES Sand to Silicon, How Microchips are made - Processo de fabricação de um chip Foundries, List of semiconductor fabrication plants One-Time Programmable Science Direct 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 Aula 4 (11 abr.) 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 O que é um Schmitt trigger? Um pouco de lab - lab até o minuto 5:20, depois um exemplo com AMPOP como funciona O que é a JTAG? Como funciona para testes e programação - In-System-Programming pag.7 Atividade AE1 -

Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS

• 7 ENCONTROS

Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS

Encontro 5 (12 abr.) 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 de descrição de um multiplexador de 4 entradas entity mux_novo is port ( -- Input ports X: in bit_vector (3 downto 0); S : in bit_vector (1 downto 0); -- Output ports Y : out bit ); end entity mux_novo; -- Implementação com lógica pura architecture v_logica_pura of mux_novo is begin Y <= (X(0) and (not S(1)) and (not S(0))) or (X(1) and (not S(1)) and (S(0))) or (X(2) and (S(1)) and (not S(0))) or (X(3) and (S(1)) and (S(0))); end architecture Logica_pura; -- Implementação com WHEN ELSE architecture v_WHEN of mux_novo is begin Y <= X(0) when S = "00" else X(1) when S = "01" else X(2) when S = "10" else X(3); end architecture v_WHEN; -- Implementação com WITH SELECT architecture v_WITH_SELECT of mux_novo is begin with S select Y <= X(0) when "00", -- note o uso da , X(1) when "01", X(2) when "10", X(3) when others; -- note o uso de others, para todos os demais valores. -- Não pode ser substituido por "11" mesmo que o signal seja bit_vector. end architecture v_WITH_SELECT; -- Implementação com IF ELSE architecture v_IF_ELSE of mux_novo is begin -- Uma arquitetura vazia como essa é denominada de STUB, -- Pode ser utilizada em um projeto durante para conferir as conexões externas. -- Posteriormente a arquitetura será descrita. end architecture v_IF_ELSET; -- Design Unit que associa a architecture com a entity configuration cfg_ifsc of mux_novo is -- for v_WITH_SELECT end for; for v_WHEN end for; end configuration; Encontro 6 (14 abr.) Faça a análise e sintese do mux_novo, associando a architecture v_logica_pura, depois v_WITH_SELECT, depois v_WHEN e por último v_IF_ELSE. Note a diferença entre os RTL Viewer obtidos para cada architecture. Figura 2.1 - Código RTL do mux 4x1 v_logica_pura Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 2.2 - Código RTL do mux 4x1 v_WHEN Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 2.3 - Código RTL do mux 4x1 v_WITH_SELECT Fonte: Elaborado pelo autor. OBS: Register Transfer-Level (RTL) é uma abstração na qual o circuito é descrito em termos de fluxo de sinais entre os registradores presentes no hardware e as operações combinacionais realizadas com esses dados. Note a que ao verificar o Technology Map Viewer, nos 3 primeiros casos serão usados os mesmos elementos lógicos. Figura 2.4 - Technology Map do mux 4x1 para a família Cyclone Fonte: Elaborado pelo autor. Note que o elemento lógico acima possui uma LUT (LookUp Table) que basicamente implementa o circuito combinacional através de uma tabela de consulta (Tabela Verdade), a qual pode ser visualizada clicando com o botão Direito do Mouse e selecionando Properties, juntamente com Mapa de Karnaugh e seu Circuito Lógico representado por portas. Todas as representações são equivalentes. Figura 2.5 - Elemento Lógico usado no mux 4x1 para a família Cyclone (node properties) Fonte: Elaborado pelo autor. Dependendo da família de FPGA que se estiver usando, o compilador implementar o circuito descrito com um número diferente de elementos lógicos (LEs). No caso da família Cyclone, na qual a LUT tem 4 entradas, são necessários 2 LEs para mapear uma lógica combinacional com 6 entradas e 1 saída (Mux4x1). No entanto se utilizarmos um dispositivo FPGA da família Stratix III, que tem LUT tem 6 entradas, será necessário apenas 1 LE, conforme ilustrado a seguir. Figura 2.5 - Technology Map do mux 4x1 para a família Stratix III Fonte: Elaborado pelo autor. 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 Fonte: Elaborado pelo autor. 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 Fonte: Elaborado pelo autor. 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 Fonte: Elaborado pelo autor. Modifique o circuito do flip-flop para que ele passe a ter 4 flip-flops Figura 2.5 - RTL 4 FF Fonte: Elaborado pelo autor. Encontro 7 (19 abr.) 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 Circuito para cálculo da distância de Hamming. Medição de tempos de propagação em circuitos combinacionais Inserindo restrições de atraso máximo para o compilador 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. Encontro 8 (23 abr.) - sábado das 7h30 as 11h30 Realizar a atividade AE2 - Conhecendo os dispositivos lógicos programáveis Os alunos devem utilizar a nuvem para realizar a atividade. O professor estará disponível através do chat da UC e pelo link de meet disponibilizado no chat. Encontro 9 (25 abr.) Exemplo de um contador em VHDL. COUNTER na página de VHDL da Wikipedia. Restringir a frequencia máxima de clock no Quartus II 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. Exemplo do banco de 4 flip-flops Revisitando o básico de simulação funcional e temporal com o QSIM. Realize as simulações funcional e temporal do circuito Flip-Flop4 ou Counter usando o QSIM. Figura 2.6 - Simulação Funcional de 4 FF 100ns Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 2.7 - Simulação Temporal de 4 FF 100ns Fonte: Elaborado pelo autor. 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 {*}] Ver pag. 3 a 24 de Video motivational para apreender FPGA, VHDL Microsoft's Bing* Intelligent Search with Intel® FPGAs Encontro 10 (26 abr.) 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 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_v1 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 ENTITY; ARCHITECTURE ifsc_v1 OF registered_comp_add_v1 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 ARCHITECTURE; 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 2.10 - Código RTL do Exemplo 2.3 Fonte: Elaborado pelo autor. Preparação da AE3 - Programação do kit Mercurio IV. utilizar o código do contador em VHDL. COUNTER na página de VHDL da Wikipedia. Definir a pinagem das chaves e leds conforme o kit a ser utilizado. Perceber o problema do repique das chaves. Ver Dicas de como eliminar o repique das chaves mecânicas Ler sobre o problema do repique das chaves mecânicas A Guide to Debouncing Encontro 11 (27 abr.) Realização da AE3 - Programação do kit Mercurio IV.

Unidade 3 - Tipos de Dados e Operadores em VHDL

• 10 Encontros

Unidade 3 - Tipos de Dados e Operadores em VHDL

Encontro 12 (3 mai.) Comentários no código (duplo traço --) -- Isso eh uma linha de comentario y <= a * b ; --o sinal y recebe o resultado da multiplicacao a x b Representação de caracteres, strings e números em VHDL. No circuito, os caracteres são representados através de bits de acordo com a tabela ASCII básica (00 a 7F). A definição dessa tabela é feita o pacote standard.vhd da biblioteca std. Caracteres (entre aspas simples) caracter: 'A' 'x' '#' (com aspas simples) Palavras (entre aspas duplas), é definida no VHDL como um vetor de caracteres. type string is array (positive range <>) of character; string: "IFSC" "teste" "teste123" Números em geral elemento ("bit") único: '0' '1' 'Z' (entre aspas simples) vetor de elementos ("bits"): "0110" "101001Z" (entre aspas duplas) vetor de 1 elemento ("bit"): "0" "1" (entre aspas duplas) inteiros: 5 1101 1102 (sem aspas) Números binários: 0 -> '0' 7 (em base 2) -> "0111" ou b"0111" ou B"0111" 1023 (em base 2) -> "001111111111" ou b"1111111111" ou B"1111111111" Números octais: 44 (em base 8) -> 5*8^1 + 4*8^0 -> O"54" ou o"54" 1023 (em base 8)-> 1*8^3 + 7*8^2 + 7*8^1 + 7*8^0 -> o"1777" 8#1777# Números Hexadecimais: 1023 (em base 16) -> 3*16^2 + 15*16^1 + 15*16^0 = X"3FF" ou x"3FF" 16#3FF# Números decimais: 1023 -> 1023 ou 1_023 1000 -> 1000 ou 1_000 ou 1E3 Cuidado ao usar o "_" pois algumas ferramentas não o reconhecem. Números em outras bases (de 2 a 16) 85 (em base 5) -> (3*5^2 + 2*5^1 + 0*5^0) -> 5#320# 1539 (em base 3) -> (2*3^2+0*3^1+1*3^0)*3^4 -> 3#201#E4 Tipos de dados em VHDL. Objetos de VHDL: CONSTANT, SIGNAL, VARIABLE, FILE. O objeto CONSTANT pode ser declarado na parte declarativa da ENTITY, ARCHITECTURE, PACKAGE, PACKAGE_BODY, BLOCK, GENERATE, PROCESS, FUNCTION e PROCEDURE. constant <constant_name> : <type> := <constant_value>; -- Declarações comuns de constantes constant GND : std_logic := '0'; constant VCC : std_logic := '1'; constant SSD_0 : std_logic_vector(0 to 6) := "1111110"; constant MAX : natural := 44; O objeto SIGNAL pode ser declarado na parte declarativa da ENTITY, ARCHITECTURE, PACKAGE, BLOCK, GENERATE. Os sinais não podem ser declarados no código sequencial (PROCESS, FUNCTION e PROCEDURE), mas podem ser usados. -- Signal sem valor default -- Para atribuir um valor a um signal use "<=" como operador. signal <name> : <type>; -- Signal com valor default signal <name> : <type> := <default_value>; -- Declarações comuns de signals signal <name> : std_logic; signal <name> : std_logic_vector(<msb_index> downto <lsb_index>); signal <name> : integer; signal <name> : integer range <low> to <high>; O objeto VARIABLE (variável) só pode ser declarada e usada dentro do escopo no código sequencial (PROCESS, FUNCTION e PROCEDURE). -- Variables devem ser declarada em process ou subprogramas. -- Para atribuir um valor a um variable use ":=" como operador. -- Variable sem valor default. variable <name> : <type>; -- Variable com valor default. variable <name> : <type> := <default_value>; -- Declarações comuns de variables variable <name> : std_logic; variable <name> : std_logic_vector(<msb_index> downto <lsb_index>); variable <name> : integer; variable <name> : integer range <low> to <high>; Palavra chave OTHERS para formação de agregados Exemplos de declaração de CONSTANT, SIGNAL, VARIABLE, inicializando o valor usando o agregados CONSTANT a: BIT_VECTOR(5 DOWNTO 0) := (OTHERS => '0'); -- "000000" CONSTANT b: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0) := (7 => '0', OTHERS => '1'); -- "01111111" CONSTANT c: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0) := (7 => '0', 6 DOWNTO 0 => '1'); -- "01111111" CONSTANT d: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0) := "01111111"; SIGNAL e: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -- Not initialized SIGNAL f: STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 8) := (2|3|8 => '1', 4 => 'Z', OTHERS => '0' ); -- "011Z0001" VARIABLE g: BIT_VECTOR(1 TO 16); -- Not initialized VARIABLE h: BIT_VECTOR(1 TO 16) := (1 TO 8 => '1', OTHERS => '0'); -- "1111111100000000" 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) Classificação dos tipos de dados. A biblioteca standard.vhd define os tipos BIT, BIT_VECTOR, BOOLEAN, INTEGER, NATURAL, POSITIVE, CHARACTER, STRING. 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; A biblioteca Std logic 1164.vhd define os tipos STD_(U)LOGIG, STD_(U)LOGIG_VECTOR. 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; A biblioteca Std logic 1164.vhd ainda define algumas funções importantes como a rising_edge que determina se um sinal está na borda de subida (usado em sinais de clock). ------------------------------------------------------------------- -- conversion functions ------------------------------------------------------------------- FUNCTION To_bit ( s : std_ulogic; xmap : BIT := '0') RETURN BIT; FUNCTION To_bitvector ( s : std_logic_vector ; xmap : BIT := '0') RETURN BIT_VECTOR; FUNCTION To_StdULogic ( b : BIT ) RETURN std_ulogic; FUNCTION To_StdLogicVector ( b : BIT_VECTOR ) RETURN std_logic_vector; ------------------------------------------------------------------- -- edge detection ------------------------------------------------------------------- FUNCTION rising_edge (SIGNAL s : std_ulogic) RETURN BOOLEAN; FUNCTION falling_edge (SIGNAL s : std_ulogic) RETURN BOOLEAN; ------------------------------------------------------------------- -- edge detection ------------------------------------------------------------------- FUNCTION rising_edge (SIGNAL s : std_ulogic) RETURN BOOLEAN IS -- altera built_in builtin_rising_edge BEGIN RETURN (s'EVENT AND (To_X01(s) = '1') AND (To_X01(s'LAST_VALUE) = '0')); END; A biblioteca Numeric std.vhd define os tipos UNSIGNED e SIGNED. package NUMERIC_STD is type UNSIGNED is array (NATURAL range <>) of STD_LOGIC; type SIGNED is array (NATURAL range <>) of STD_LOGIC; A biblioteca Numeric std.vhd ainda define os operadores (abs, "+", "-", "*", "\", rem, mod, sll, slr, ror, rol), comparações ("=", '/=', ">", ">=", "<", "<=") e operadores lógicos (not, and, nand, or, nor, xor, xnor) para os tipos SIGNED e UNSIGNED. Além disso também define algumas funções muito utilizadas como: --============================================================================ -- RESIZE Functions --============================================================================ function RESIZE (ARG: SIGNED; NEW_SIZE: NATURAL) return SIGNED; function RESIZE (ARG: UNSIGNED; NEW_SIZE: NATURAL) return UNSIGNED; --============================================================================ -- Conversion Functions --============================================================================ function TO_INTEGER (ARG: UNSIGNED) return NATURAL; function TO_INTEGER (ARG: SIGNED) return INTEGER; function TO_UNSIGNED (ARG, SIZE: NATURAL) return UNSIGNED; function TO_SIGNED (ARG: INTEGER; SIZE: NATURAL) return SIGNED; Ver pag. 73 a 78 de 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 + 1.0E38] 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 sem sinal sintetizável SIGNED numeric_bit ieee BIT_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável UNSIGNED numeric_bit ieee BIT_VECTOR que aceitam operações aritméticas sem sinal sintetizável SIGNED std_logic_arith ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável (não é padrão, não utilizar) UNSIGNED std_logic_arith ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas sem sinal sintetizável (não é padrão, não utilizar) 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 de dados predefinidos: FIXED e FLOAT (apenas conhecer) Função resize Encontro 13 (5 mai.) Desafio 1 - Fazer um circuito que detecte se existe alguma vaga vazia em um lote de 9 vagas. A entrada x(n) está baixo '0' se a vaga está vazia, e alto '1' se tem carro. A saída y estará alta '1' sempre que houver uma ou mais vagas vazias, e em baixo '0' se não houver nenhuma vaga. Faça a simulação do circuito para ver se está funcionando, Figura 3.1 - Simulação do indicador de vagas Fonte: Elaborado pelo autor. Desafio 2 - Fazer um circuito que conte o número de vagas vazias em um lote de 9 vagas. A entrada x(n) está baixo '0' se a vaga está vazia, e alto '1' se tem carro. A saída CNT deverá mostrar em binário sem sinal o número de vagas vazias (O valor de CNT poderá ser entre 0 e 9). Faça a simulação do circuito para ver se está funcionando, Figura 3.2 - Simulação do contador de vagas Fonte: Elaborado pelo autor. Exemplo 3.1 Buffer Tri-state Ver como funciona em [2] library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity tri_state is generic (N: NATURAL := 1); port ( input : in std_logic_vector(N-1 downto 0); ena : in std_logic; output : out std_logic_vector(N-1 downto 0); ); end entity; architecture tri_state of tri_state is begin output <= input when ena = '1' else "Z"; end architecture; Corrija os erros do código e verifique o modelo RTL obtido. Em seguida modifique as portas input e output para o tipo std_logic. Analise se seria possível modificar as portas para o tipo bit. Importante: O terceiro estado 'Z' só pode ser usado em saídas, e a sua realização nos FPGAs só ocorre nos nós de I/O. Encontro 14 (9 mai.) Exemplo 3.2 Circuito com Saida "don't care" library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity Ex3_2 is port ( x : in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0); y : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0) ); end entity; architecture un3 of Ex3_2 is begin y <= "00" when x = "00" else "01" when x = "10" else "10" when x = "01" else "--"; end architecture; Desafio 3 - Fazer um circuito que detecte se existe alguma vaga vazia em um lote de 9 vagas. A entrada x(n) está baixo '0' se a vaga está vazia, e alto '1' se tem carro. A saída y estará alta '1' sempre que houver uma ou mais vagas vazias, e em baixo '0' se não houver nenhuma vaga. Inspirado na descrição VHDL acima, tente resolver esse problema usando don't care. Importante: O don't care não funciona como se espera para uma entrada, por isso, use don't care apenas para saídas. x = "1----" -- não funciona em VHDL Se quiser mesmo usar don't care em entradas use a função std_match do pacote numeric_std std_match(x, "1----") -- funciona em VHDL Tipos de dados: SIGNED e UNSIGNED Exemplo 3.3 Multiplicador de 4x4 bits (UN)SIGNED e INTEGER Código Multiplicador --LIBRARY ieee; --USE ieee.numeric_std.all; --USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY multiplicador4x4 IS -- 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 -- 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 STD_LOGIC_VECTOR -- PORT (a, b: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -- min(a) = 0; max(a) = 15 <- 4 bits -- y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)); -- min(a*b) = 0, max(a*b) = 225 -> 8 bits -- multiplicador usando STD_LOGIC_VECTOR -- PORT (a, b: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -- min(a) = -8; max(a) = 7 <- 4 bits -- y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)); -- 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. Realizar a simulação com entradas STD_LOGIC_VECTOR na faixa de valores de 0 até 15, e analisar se o valor da saída está correto. Neste caso será necessário realizar uma conversão de STD_LOGIC_VECTOR para UNSIGNED antes de efetuar a operação de "*", e após a operação é necessário fazer a operação inversa UNSIGNED para STD_LOGIC_VECTOR Realizar a simulação com entradas STD_LOGIC_VECTOR na faixa de valores de -8 até 7, e analisar se o valor da saída está correto. Neste caso será necessário realizar uma conversão de STD_LOGIC_VECTOR para SIGNED antes de efetuar a operação de "*", e após a operação é necessário fazer a operação inversa SIGNED para STD_LOGIC_VECTOR Ler e guardar a página sobre Aritmética com vetores em VDHL Ver pag. 39 a 54 de Encontro 15 (10 mai.) Operadores em VHDL. Operadores predefinidos: Atribuição, Lógicos, Aritméticos, Comparação, Deslocamento, Concatenação, "Matching". Operadores aritméticos São suportados nos tipos de dados: INTEGER, NATURAL, POSITIVE, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para UFIXED, SFIXED e FLOAT. soma (+) subtração (-) multiplicação (*) divisão (/) exponenciação (**) valor absoluto (ABS) resto (REM remainder) módulo (MOD) Não há restrições para síntese de circuitos com os operadores, exceto para "**" que necessita de expoente estático (a**5) ou base estática (5**a). O operador x/y é a divisão inteira com sinal. Exemplos: 9/10 = 0; -7/3 = -2; 9/-4 = -2; 20/(-4) = -5. O operador ABS x retorna o valor absoluto de x. Exemplos: ABS 6 = 6; ABS -11 = 11. O operador x REM y retorna o resto de x/y com sinal de x. Esse operador realiza a operação x REM y = x - (x/y)*y. Exemplos: 9 REM 10 = 9; -7 REM 3 = -1; 9 REM -4 = 1; 20 REM (-4) = 0. O operador x MOD y retorna o resto de x/y com sinal de y. Esse operador realiza a operação x MOD y = x REM y + a*y, onde a = 1 quando o sinal de x é diferente do sinal de y, e a = 0 se os sinais de x e y são iguais. Exemplos: 9 MOD 10 = 9 ; -7 MOD 3 = 2; 9 MOD -4 = -3; 20 REM (-4) = 0. Ver pag. 91 a 97 de Exemplo de uso de operadores aritméticos Exemplo conversor de binário para BCD - Binary-coded decimal de dois dígitos decimais (00 a 99). Para ilustrar são utilizadas os operadores DIVISOR e RESTO. Note a quantidade de elementos lógicos utilizados. É possível reduzir essa quantidade, aproveitando resultados intermediários e evitando a realização de uma nova divisão pelo uso do operador REM. Faça uma segunda implementação que reduza significativamente o número de elementos lógicos. library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.numeric_std.all; entity bin2bcd is port ( C : in std_logic_vector (6 downto 0); sd, su : out std_logic_vector (3 downto 0) ); end entity; <!-- architecture ifsc_v1 of bin2bcd is signal C_uns : unsigned (6 downto 0); signal sd_uns, su_uns : unsigned (6 downto 0); begin sd <= std_logic_vector(resize(sd_uns, 4)); su <= std_logic_vector(resize(su_uns, 4)); sd_uns <= C_uns/10; su_uns <= C_uns rem 10; c_uns <= unsigned(c); end architecture; architecture ifsc_v2 of bin2bcd is begin -- Implemente o circuito usando a definição de REM que é: x REM y = x - (x/y)*y end architecture; configuration bin2bcd_cfg of bin2bcd is --A instrução '''configuration''' associa a '''entity''' bin2bcd a '''architecture'''. for ifsc_v1 end for; --Para associar a '''entity''' bin2bcd a '''architecture''' ifsc_v2 comente a linha acima e descomente a linha abaixo. -- for ifsc_v2 end for; end configuration; Figura 3.2 - RTL do conversor de Binário para BCD com 2 digitos Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 3.3 - Simulação do conversor de Binário para BCD com 2 digitos Fonte: Elaborado pelo autor. Operadores lógicos São suportados nos tipos de dados: BIT, BIT_VECTOR, BOOLEAN, STD_(U)LOGIC, STD_(U)LOGIC_VECTOR, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para BOOLEAN_VECTOR, UFIXED, SFIXED e FLOAT. NOT AND NAND OR NOR XOR XNOR Apenas o operador NOT tem precedência sobre os demais y <= a AND b XOR c -- é equivalente a (a AND b) XOR c y <= NOT a AND b -- é equivalente a (NOT a) AND b. y <= a NAND b -- é equivalente a NOT (a AND b) ATUAL Encontro 16 (12 mai.) Operadores de deslocamento (SHIFT) SLL (Shift Left Logic) - Deslocamento a esquerda lógico (preenchimento com '0's das posições a direita. SRL (Shift Right Logic) - Deslocamento a direita lógico (preenchimento com '0's das posições a esquerda. SLA (Shift Left Arithmetic) - Deslocamento a esquerda aritmético (posições liberadas da direita mantém o bit lsb) SRA (Shift Right Arithmetic) - Deslocamento a esquerda aritmético (posições liberadas da esquerda mantém o bit msb) ROL (Rotate Left) - Deslocamento circular a esquerda ( o bit que sai na esquerda é retornado na direita) ROR (Rotate Right) - Deslocamento circular a direita ( o bit que sai na direita é retornado na esquerda) signal a: bit_vector(7 downto 0) := "01100101"; y <= a SLL 2; -- y <= "10010100" (y <= a(5 downto 0) & "00";) y <= a SLA 2; -- y <= "10010111" (y <= a(5 downto 0) & a(0) & a(0);) y <= a ROR 2; -- y <= "01011001" (y <= a(1 downto 0) & a(7 downto 2);) Esses operadores são suportados nos tipos BIT_VECTOR, (UN)SIGNED. Em VHDL 2008 também para BOOLEAN_VECTOR, STD_(U)LOGIG_VECTOR, UFIXED e SFIXED. Operador de concatenação (&) Esse operador é suportado nos tipos BIT_VECTOR, STD_(U)LOGIG_VECTOR, STRING e (UN)SIGNED. Em VHDL 2008 também para INTEGER_VECTOR e BOOLEAN_VECTOR. É utilizado para agrupar objetos como mostrado nos comentários dos exemplos anteriores Operadores de comparação São suportados nos tipos de dados: BIT, BIT_VECTOR, BOOLEAN, INTEGER, NATURAL, POSITIVE, CHARACTER, STRING, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para BOOLEAN_VECTOR, INTEGER_VECTOR, UFIXED, SFIXED e FLOAT. Igualdade (=) Diferença (/=) Menor que (<) Menor ou igual que (<=) Maior que (>) Maior ou igual que (>=) Operadores de comparação de associação (matching comparison) Foram introduzidos no VHDL 2008, e tem o objetivo de tratar nos tipos baseados no STD_ULOGIC de forma igual os valores lógicos 'H'='1' e também 'L'='0', e 'X'='Z'='W'. São suportados nos tipos de dados: BIT, BIT_VECTOR, STD_(U)LOGIG, STD_(U)LOGIG_VECTOR, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para UFIXED, SFIXED. Igualdade (?=) Diferença (?/=) Menor que (?<) Menor ou igual que (?<=) Maior que (?>) Maior ou igual que (?>=) Atributos em VHDL. Atributos de síntese: Em VHDL existem diversos atributos de sintese que controlam a forma como o processo de "Analysis & Synthesis" é realizado pelo Quartus II. Uma listagem completa pode ser encontrada em: VHDL Synthesis Attributes and Directives - Quartus Prime Pro Edition Help version 18.1 ATTRIBUTE enum_encoding [3] type fruit is (apple, orange, pear, mango); attribute enum_encoding : string; attribute enum_encoding of fruit : type is "11 01 10 00"; ATTRIBUTE chip_pin [4] entity foo is port (sel : in std_logic; data : in std_logic_vector(3 downto 0); o : out std_logic); end foo; architecture rtl of foo is attribute chip_pin : string; attribute chip_pin of sel : signal is "C4"; attribute chip_pin of data : signal is "D1, D2, D3, D4"; begin -- Specify additional code end architecture; O uso desse atributo sobrepõe a atribuição dos pinos através da IDE do Quartus II, e por isso não é recomendável. O atributo de síntese chip_pin pode ser usado apenas em portas da entidade "top-level" do projeto. . Atributos de síntese: ATTRIBUTE keep [5] O atributo de síntese KEEP, sinaliza ao processo de "Analysis & Synthesis" para manter intacto um determinado signal ou componente. signal a,b,c : std_logic; attribute keep: boolean; attribute keep of a,b,c: signal is true; 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]. signal a,b,c : std_logic; attribute preserve: boolean; attribute preserve of a,b,c: signal is true; ATTRIBUTE noprune[8]. signal reg1: std_logic; attribute noprune: boolean; attribute noprune of reg1: signal is true; 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; ATTRIBUTE keep: BOOLEAN; ATTRIBUTE keep of a,b,c: SIGNAL IS FALSE; ATTRIBUTE preserve: BOOLEAN; ATTRIBUTE preserve OF a, b, c: SIGNAL IS FALSE; ATTRIBUTE noprune: BOOLEAN; ATTRIBUTE noprune OF a, b, c: SIGNAL IS FALSE; 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. Figura 3.4 - Technology Map do circuito compilado sem Attribute Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 3.5 - Technology Map do Circuito com Attribute Preserve (or Keep) Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 3.6 - Technology Map do Circuito com Attribute Noprune Fonte: Elaborado pelo autor. Ver pag. 91 a 111 de Atributos predefinidos são definidos no padrão 1076-2019 - IEEE Standard for VHDL Language Reference Manual. Esse documento pode ser acesso via o portal Periódicos Capes acesso CAFE. Para cada atributo existe uma descrição completa como mostrado a seguir. P'LEFT Kind: Value. Prefix: Any prefix P that is appropriate for an object with a scalar type or subtype T, or an alias thereof, or that denotes any scalar type or subtype T. Result type: Same type as T. Result: The left bound of T. A seguir estão listados alguns dos atributos mais utilizados. 16.2.2 Predefined attributes of types and objects (p.270) P'LEFT - The left bound of T. P'RIGHT - The right bound of T. P'HIGH - The upper bound of T. P'LOW - The lower bound of T. P'ASCENDING - It is TRUE if T is defined with an ascending range; FALSE otherwise. P'LENGTH - maximum(0, T’POS(T’HIGH) – T’POS(T’LOW) + 1) P'RANGE - The range T'LEFT to T'RIGHT if the range of T is ascending, or the range T'LEFT downto T'RIGHT if the range of T is descending P'REVERSE_RANGE - The range T'RIGHT downto T'LEFT if the range of T is ascending, or the range T'RIGHT to T'LEFT if the range of T is descending T'POS(X) - The position number of the value of the parameter T'VAL(X) - The value whose position number is the universal_integer value corresponding to X. 16.2.3 Predefined attributes of arrays (p.275) A'LEFT [(N)] - Left bound of the Nth index range of A A'RIGHT [(N)] - Right bound of the Nth index range of A A'HIGH [(N)] - Upper bound of the Nth index range of A A'LOW [(N)] - Lower bound of the Nth index range of A. A'RANGE [(N)] - The range A'LEFT(N) to A'RIGHT(N) if the Nth index range of A is ascending, or the range A'LEFT(N) downto A'RIGHT(N) if the Nth index range of A is descending A'REVERSE_RANGE [(N)] - The range A'RIGHT(N) downto A'LEFT(N) if the Nth index range of A is ascending, or the range A'RIGHT(N) to A'LEFT(N) if the Nth index range of A is descending. A'LENGTH [(N)] - Number of values in the Nth index range A'ASCENDING [(N)] - TRUE if the Nth index range of A is defined with an ascending range; FALSE otherwise. 16.2.4 Predefined attributes of signals (p. 277) S'EVENT - A value that indicates whether an event has just occurred on signal S. S'LAST_VALUE - For a signal S, if an event has occurred on S in any simulation cycle, S'LAST_VALUE returns the value of S prior to the update of S in the last simulation cycle in which an event occurred; otherwise, S'LAST_VALUE returns the current value of S. 16.2.5 Predefined attributes of named entities (p. 279) E'SIMPLE_NAME - The simple name, character literal, or operator symbol of the named entity Atributos definidos pelo usuário; attribute attribute_name: attribute_type; attribute attribute_name of entity_tag [signature]: entity_class is value;

ATIVIDADE EXTRA-CLASSE (AE)

A soma das atividades Extra-classe será correspondente a 20% do conceito final na disciplina. A entrega das mesmas será feita pelo Moodle da disciplinas, e cada dia de atraso irá descontar 0,2 na nota da atividade. Muitas dessas atividades também possuem BÔNUS que são adicionados aos conceitos das avaliações A1 e A2. Para os BÔNUS só serão considerados projetos entregues no prazo.

AE1 - Palavras-cruzadas INTRODUÇÃO

AE1 - Palavras-cruzadas INTRODUÇÃO

AE2 - Conhecendo os dispositivos lógicos programáveis

AE2 - Conhecendo os dispositivos lógicos programáveis

Objetivos Conhecer o Quartus II e as características dos dispositivos lógicos programáveis Analisar os tempos de propagação em um circuito combinacional Alterar configurações do compilador Fazer a simulação funcional e temporal de um circuito combinacional. Atividade PASSO 1: Realize a atividade descrita em Conhecendo os dispositivos lógicos programáveis Ao escolher a família de FPGAS, escolha inicialmente um dispositivo da família Cyclone II. Anote o código desse dispositivo. Capture as telas solicitadas e depois utilize-as no relatório da atividade. Anote o tempo utilizado para cada uma das etapas do processo de compilação Anote o número de elementos lógicos utilizados e o número de pinos utilizados, bem com o percentual em relação ao número total do dispositivo. Anote algum erro (Error) ou alertas (Warnings) que o Quartus II indicar no painel de mensagens [Messages] Ao final salve o projeto em um arquivo QAR (sugestão PJ1.QAR) PASSO 2: Repita a atividade descrita em Conhecendo os dispositivos lógicos programáveis, trocando a família e dispositivo a ser usado na implementação. Escolha nesta vez um dispositivos da família Cyclone IV E ou Stratix II GX. Anote o código desse dispositivo. Observe as mudanças que ocorrem tanto no tipo de Elemento Lógico disponível, no Chip Planner, no Pin Planner, e no circuito dos pinos de I/O. Note que estes FPGAs também apresenta novos componentes, tais como: Memória, Multiplicadores, DSP, PLL, DLL, etc. Verifique se consegue encontra-los no leiaute mostrado no Chip Planner, e documente aqueles que encontrar. Compare os resultados obtidos nos procedimentos do PASSO 1 e PASSO 2. PASSO 3: Realize o procedimento descrito em Medição de tempos de propagação em circuitos combinacionais Ao escolher a família de FPGAS, escolha um dispositivo FPGA da família Cyclone IV E. Anote o código desse dispositivo. Capture as telas mostradas no roteiro e depois utilize-as no relatório da atividade. Anote o máximo tempo de propagação entre entrada e saída. Anote o número de elementos lógicos utilizados e o número de pinos utilizados, bem com o percentual em relação ao número total do dispositivo. Experimente modificar as configurações do compilador, conforme mostrado em Configurando o compilador. Se desejar mude a semente inicial trocando o valor de [Seed: 1] Experimente Inserir diferentes restrições de atraso máximo para o compilador, e analise o resultado obtido. Anote algum erro (Error) ou alertas (Warnings) que o Quartus II indicar no painel de mensagens [Messages] Ao final salve o projeto em um arquivo QAR (sugestão PJ2.QAR) PASSO 4: Realize a simulação funcional e também a temporal de um dos projetos CI74161 ou do cálculo da distância de Hamming Capture as telas que mostram o circuito funcionando e depois utilize-as no relatório da atividade. Entregas Envie dois arquivos QAR contendo todos os arquivos necessário para compilar os dois projetos. Envie um relatório em PDF, incluindo as imagens capturadas (inclua legenda em cada figura) e escreva para cada imagem um texto comentando o que representa. O relatório também deve ter a identificação (autor, título, data) uma breve introdução e uma conclusão. A descrição dos procedimentos feita na página wiki não precisa incluída no relatório. Use preferencialmente o Overleaf para gerar o relatório. Mas o uso de MS-Word, Libreoffice e Google Docs também é permitida. A entrega será feita através do Moodle da disciplina. Observe o prazo de entrega.

AE3 - Programação do kit Mercurio IV

AE3 - Programação do kit Mercurio IV

Objetivos Revisar o processo de programação do FPGA usando um kit de desenvolvimento Fazer as adaptações necessárias para o circuito funcionar no kit Verificar e corrigir o problema do repique (bouncing) da chave usada no CLK Procedimento de laboratório Passo 1 Escrever o código do projeto counter (já simulado em aula anterior), incluindo as adaptações necessárias para o uso dos LEDs da matriz de leds do kit Mercurio IV. Fazer a análise e síntese e corrigir eventuais erros. entity counter is generic (WIDTH : in natural := 4); port ( RST : in std_logic; CLK : in std_logic; LOAD : in std_logic; DATA : in std_logic_vector(WIDTH-1 downto 0); R0 : out std_logic Q : out std_logic_vector(WIDTH-1 downto 0)); end entity; architecture ifsc_v1 of counter is signal Q_aux : std_logic(WIDTH-1 downto 0); begin process(RST,CLK) is begin if RST = '1' then Q_aux <= (others => '0'); elsif rising_edge(CLK) then if LOAD= '1' then Q_aux <= DATA; else Q_aux <= std_logic_vector(unsigned(Q_aux) + 1); end if; end if; end process; -- Adaptacao feita devido a matriz de leds acender com ZERO Q <= not Q_aux; -- Para acender um led eh necessario colocar ZERO na linha correspondente da matriz. R0 <= '0'; end architecture; Passo 2 Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA Escolher o DEVICE: EP4CE30F23C7 Usar como pinos de entrada e saída do FPGA os seguintes: CLK: PIN_Y17 ou PIN_V21 DATA[3]: PIN_H18 DATA[2]: PIN_H20 DATA[1]: PIN_K21 DATA[0]: PIN_J21 LOAD: PIN_Y22 Q[3]: PIN_J6 Q[2]: PIN_K8 Q[1]: PIN_J8 Q[0]: PIN_L8 RST: PIN_W21 R0: PIN_F10 Programando o FPGA através da USB-Blaster Passo 3 Realizar os seguintes testes, acionando as chaves e observando o resultado nos LEDs: Carregar um valor nas chaves DATA[3..0], mudar LOAD para ALTO e acionar a chave CLK. Verificar e anotar o comportamento. Repetir com valores diferentes nas DATA[3..0]. Mudar RST para ALTO, e verificar e anotar o comportamento. Manter LOAD em BAIXO e acionar a chave CLK várias vezes (no mínimo 16 vezes). Verificar e anotar o comportamento. O comportamento é o esperado para o número de mudanças da chave CLK? Dica Se desejar desligar a luz do LCD, basta fixar o pino LCD_BACKLIGHT (V10) - Controlador do backlight em '0'. -- insira na declaração das portas da entity a linha LCD_BACKLIGHT: out std_logic; -- insira na architecture a linha LCD_BACKLIGHT <= '0'; Após fazer a Análise e Síntese, defina o pino v10 para essa porta. LCD_BACKLIGHT: PIN_V10 Passo 4 Eliminar o repique da chave CLK, inserindo no código um circuito anti-repique, com um tempo de anti-repique de 10ms: entity COUNTER_db is ... CLK50MHz : in std_logic; ... end entity architecture ifsc_v2 of COUNTER_db is ... signal CLK_db: std_logic := '0'; ... begin -- debouncer de 10ms process (CLK50MHz, CLK, RST, CLK_db) is constant max_cnt: natural := 500000; -- 500000 10ms para clk 20ns variable cnt_db : integer range 0 to max_cnt-1; begin if (RST = '1') then cnt_db := 0; CLK_db <= '0'; elsif ((CLK = '0') and (CLK_db = '0')) or ((CLK = '1') and (CLK_db = '1')) then cnt_db := 0; elsif (rising_edge(CLK50MHz)) then if (cnt_db = max_cnt - 1) then CLK_db <= not CLK_db; else cnt_db := cnt_db + 1; end if; end if; end process; ... -- Troque no process(RST,CLK) a entrada '''CLK''' do circuito anterior pela entrada '''CLK_db''' Acrescentar o pinos de entrada CLK50MHz: CLK50MHz: PIN_T1 acrescente um arquivo para restringir a análise temporal (Timing Analysis) a 50MHz para a entrada de clock CLK50MHz Restringir a frequencia máxima de clock no Quartus II create_clock -name CLK50MHz -period 50MHz [get_ports -no_case {clk*}] Passo 5 Repita os teste feitos no Passo 3, acionando as chaves e observando o resultado nos LEDs: Carregar um valor nas chaves DATA[3..0], mudar LOAD para ALTO e acionar a chave CLK. Verificar e anotar o comportamento. Repetir com valores diferentes nas DATA[3..0]. Mudar RST para ALTO, e verificar e anotar o comportamento. Manter LOAD em BAIXO e acionar a chave CLK várias vezes (no mínimo 16 vezes). Verificar e anotar o comportamento. O comportamento é o esperado para o número de mudanças da chave CLK? Reduza o tempo do circuito anti-repique para 1us (microsegundo) max_cnt = 50, e verifique o funcionamento da chave CLK 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 do funcionamento do circuito nos Passos 3 e 5 O relatório deve também responder as questões levantadas e mostrar que os objetivos apresentados na introdução foram atendidos.

AE4 - Conversor de binário para BCD

AE4 - Conversor de binário para BCD

Atividades Neste laboratório remoto, os alunos deverão implementar uma ou mais soluções do para um circuito conversor de binário para BCD (bin2bcd) com entrada binária variando de 0 a 9999. Baseado no exemplo do conversor de binário para BCD - Binary-coded decimal de dois dígitos decimais (00 a 99), mostrado em aula, projete um conversor para 4 dígitos (000 a 9999). Escreva o código em VHDL, que dada uma entrada C (entre 0 e 9999), fornece nas saídas os dígitos da milhar (sm), centena (sc), dezena (sd) e unidade (su). Figura AE6(a) - Exemplo de simulação funcional de 0 a 999 Fonte: Elaborado pelo autor. Figura AE6(b) - Exemplo de simulação temporal de 0 a 999 Fonte: Elaborado pelo autor. Anote a quantidade de elementos lógicos do circuito. Figura AE6(c) - Exemplo de número de elementos (166) Fonte: Elaborado pelo autor. Figura AE6(d) - Exemplo de número de elementos (166) Fonte: Elaborado pelo autor. Anote o tempo máximo de propagação do circuito. Figura AE6(e) - Exemplo de tempo máximo de propagação (60,588 ns) Fonte: Elaborado pelo autor. Procure reduzir essa quantidade, aproveitando resultados intermediários e evitando a realização de uma nova divisão pelo uso do operador REM. O uso de configurações diferentes no compilador Quartus e escolha de qualquer família de FPGA e dispositivo é permitida. A única limitação é o uso do Quartus Analise o tempo de propagação e área ocupada (número de elementos lógicos) e tente otimizar um ou os dois parâmetros. Se realizar diversas versões, pode anotar os valores de todas elas e fornecer todas as versões, mas foque no melhor desempenho. O aluno apresentar dois projetos como resultado sendo um para o menor tempo máximo de propagação e outro para menor área ocupada (número de elementos lógicos). Faça uma simulação que mostre que o circuito projetado funciona. O arquivo QAR entregue deve ser plenamente compilável e permitir após a Análise e Síntese e execução do arquivo de simulação VWF apresentar o resultado final. Para fins de uniformização na comparação dos resultados utilizem o menor dispositivo da família CYCLONE (EP1C3T100A8). Neste laboratório não é necessário fornecer as imagens RTL e Technology Map usadas para obter e melhorar os circuitos, nem a imagem da simulação que mostra que a versão entregue funciona. Se desejar você pode incluir os arquivos com as imagens de simulação e RTL de comprovação na entrega. Entregas Envie dois arquivos QAR contendo todos os arquivos necessário para compilar e simular os projetos . Poste no comentário da atividade: 1) O número de elementos lógicos de cada versão entregue. 2) O tempo máximo de propagação de cada versão entregue. A entrega será feita através do Moodle da disciplina. Observe o prazo de entrega de 14 dias. NÃO é necessário entregar um relato simples em PDF, mas pode ser feito se desejar. Caso faça o relato ele deve ter a identificação (autor, título, data), conter informações essenciais para mostrar que o circuito funciona e relatar os resultados obtidos para os parâmetros solicitados. Nesta caso aproveite para descrever como conseguiu reduzir o tempo de propagação e o número de elementos lógicos. Use preferencialmente o Overleaf para gerar o documento. Mas o uso de MS-Word, Libreoffice e Google Docs também é permitida. Bônus 0,5 pontos na avaliação A1 - O aluno que apresentar por primeiro a solução funcionando com comprovação por simulação. 0,5 pontos na avaliação A1 - O aluno que apresentar a solução funcionando e fique em primeiro lugar no parâmetro menor área ocupada, com comprovação por simulação. 0,5 pontos na avaliação A1 - O aluno que apresentar a solução funcionando e fique em primeiro lugar no parâmetro menor tempo máximo de propagação entre entradas e saída, com comprovação por simulação. 0,1 pontos na avaliação A1 - O aluno que apresentar por segundo a solução funcionando com comprovação por simulação. 0,1 pontos na avaliação A1 - O aluno que apresentar a solução funcionando e fique em segundo lugar no parâmetro menor área ocupada, com comprovação por simulação. 0,1 pontos na avaliação A1 - O aluno que apresentar a solução funcionando e fique em segundo lugar no parâmetro menor tempo máximo de propagação entre entradas e saída, com comprovação por simulação.