ВВЕДЕНИЕ

Обычно, когда кто-то видит функционирующую плату, всегда задают одни и те же вопросы: - Это Ардуино? - А как это работает без Ардуино?

Это не микроконтроллер, это даже не процессор, это ПЛИС. ПЛИС - это программируемая логическая интегральная схема , такая микросхема состоит из множества одинаковых блоков или макроячеек, каждый производитель по своему их называет, так у Xilinx это Slices (ломтики) у Altera - LogicElements (логические элементы). Эти блоки относительно простые, они могут выполнять роль нескольких логических элементов, быть маленькой таблицей поиска (LUT), содержать готовый сумматор, умножитель, блок цифровой обработки сигналов (DSP), в общем все что задумает производитель. Пользователь может по своему желанию расположить и настроить эти блоки как ему захочется, реализовав таким образом достаточно сложные цифровые схемы. На ПЛИС можно реализовать хоть микроконтроллер, реализовав например ту же Ардуино или процессор вашей собственной архитектуры, например не регистровый а стековый процессор, даже свою собственную ПЛИС можно реализовать на ПЛИС!

Из доступных бюджетных ПЛИС можно выделить двух основных производителей Altera и Xilinx, с их продукции можно начать свой путь освоения данных технологий. На мой взгляд лучше выбрать чипы компании Altera, так как их среда проектирования стабильно обновляется, а выбрав один популярный чип Xilinx XC3S500E вам придется довольствоваться устаревшей средой ISE 14.7 (хотя и там есть свои плюсы).

В иностранной литературе можно встретить сокращения для ПЛИС: FPGA и CPLD. CPLD (Complex Programmable Logic Device) - чипы с небольшим числом макроячеек, специализированных блоков и малым энергопотреблением. Большой проект не получится синтезировать для такого типа чипов, но и для них находят применение на практике, так у редкого микроконтроллера найдется, скажем 300 ножек. Такие чипы часто применяют в качестве интерфейсных систем, предобработчиков, расширителей ввода-вывода. FPGA (Field-Programmable Gate Array) - программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ), значительно более мощные чипы по сравнению с CPLD, но потребляющие больше энергии и стоящие значительно дороже. Для уменьшения затрат площади кристалла FPGA чипы могут содержать уже готовые функции, такие как блоки цифровой обработки сигналов (DSP блоки), встроенные процессоры, встроенная память. FPGA широко применяются для проверки и верификации проектов, в так называемой докремниевой проверке пригодности, тем самым уменьшая затраты и время перед выходом продукта. FPGA чипы могут быть переконфигурированы практически в любой момент времени, сейчас ведутся разработки, например в Intel, по совмещению архитектур обычного процессора и чипа FPGA. У Xilinx уже есть такие решения - Zynq, но о них мы пока не будет вести речь.

Разговор пойдет о более простых вещах, тем более ко мне в руки попал набор разработчика: Cyclone IV 4 FPGA Core Board и Altera USB Blaster Downloader PLD Development kit за 35$, приобретенный на AliExpress .

1 Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board, краткая характеристика

Рис. 1 - Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board

На плате (Рис. 1) установлен чип EP4CE6E22C8N, его характеристики:

Вид ресурса	Краткое описание	Количество
Logic elements (Les)	Число логических блоков - ячеек, основная характеристика, по которым мы можем сравнивать «мощность» чипов, любая синтезированная логика будет затрачивать данные блоки	6,272
Embedded memory (Kbits)	Встроенной памяти, пока для нас не важная характеристика	270
Embedded 18x18 multipliers	Встроенных аппаратных умножителей, очень важный параметр в цифровой обработке сигналов, вся мощь ПЛИС раскрывается, когда несколько умножителей работают параллельно	15
General-purpose PLLs	Узлов фазовой автоподстройки частоты, пока не важная характеристика, упрощает синхронизацию устройств, работающих на разных частотах	2
Global Clock Networks	Количество частотных доменов, пока не важная характеристика	10
User I/O Banks	Число раздельных пользовательских банков ввода-вывода, пока не важная характеристика	8
Maximum user I/O	Число пользовательских пинов ввода-вывода, мы можем подключить любые устройства, как например к Ардуино	91

На плате установлено:

1. Флэш память – при подаче питания ПЛИС будет сконфигурирована в реализацию во флеш памяти. Вы можете синтезировать свой проект и записать в эту флэш
2. Кварц 25 Мгц – генератор опорной тактовой частоты, именно на этой частоте будут работать все наши проекты, наша ПЛИС может поддерживать до 10 таких каналов.
3. Светодиоды – 10, кнопки – 2.
4. Пины ввода-вывода 61 + 2 земля, 1 не соединен. Можно подключить разнообразные устройства. ЦАП-АЦП, акселерометры и гироскопы, символьный и графические дисплеи, как и у Ардуино.
5. Питание через USB, или внешнее 5В.

В комплекте также идет программатор JTAG, Altera USB Blaster.

2. Среда Quartus II и наш первый проект

Для работы с данной ПЛИС нам нужно скачать официальную среду разработки - Quartus II Web Edition , она бесплатная. Заходим на официальный сайт http://dl.altera.com/15.0/?edition=web , на момент написания версия 15.0 самая новая, если вышла новее, скачиваем ее.

Выбираем:

Рис. 2 - выбираем необходимые продукты Altera

И жмем кнопку скачать (Download Selected Files). После чего нам предложат зарегистрироваться, регистрируемся, скачиваем и устанавливаем.

Создадим свой первый проект.

Запускаем Quartus, выбираем главное меню File -> New Project Wizard, появляется окно введения, жмем next. Далее нужно указать каталог для проекта и его имя, третье поля – имя верхнего модуля, попозже увидите, что это. Выбираем папку, куда хотим сохранить проект и придумываем имя, у меня test1.

Рис. 3 - окно мастра нового проекта

Жмем next, у нас спрашивают, пустой проект (empty project) или шаблон (Project template). Оставляем пустой, next. Дальше нас просят добавить существующие файлы, у нас ничего нет, поскольку мы только начинаем свой путь, жмем next.

Далее нам необходимо выбрать наш чип, это можно сделать в любое время. Выбираем как на рисунке, Family – Cyclone IV E, specific device selected in “Available devices” и выбираем наш чип EP4CE6E22C8N, он в самом начале. Если у вас другой, найдите свой, это важно . Жмем next.

Рис. 4 -

Появится окно - выбора средств проектирования, отладки, пока это пропускаем, нажимаем next и затем finish.

Рис. 5 - Окно « Assinments-Deice »

В окне выбираем пункт «Unused pins». Эта настройка определяет, что будет с неподключенными пинами. Это может быть важно, в своем проекте вы вряд ли используете все пины, а не подключенные могут быть на деле соединены с землей или питанием (ну мало ли, кто разводил плату). Если вы подадите единичку на заземленный пин, то он сгорит, поэтому нужно внимательно следить за этим.

По умолчанию неиспользуемые пины «As input tri-stated with weak pull-up» (пины для ввода, находятся в третьем состоянии с высоким импедансом, со слабой подтяжкой по питанию), можно оставить или выбрать «As input tri-stated». Про подтягивающий резистор можете прочитать на википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Подтягивающий_резистор . В цифровой технике может быть три состояния, логическая единица – это напряжение питания или высокий уровень, логический ноль – это когда вывод подключен к земле или низкий уровень и высокоимпедансное состояние. Высокоимпедансное состояние - это когда пин имеет очень высокое сопротивление и практически не влияет на провод, к которому подключен, такое состояние нужно, например, при организации шин, когда множество устройств подключены к одному проводу и не активные устройства не мешают работе.

Рис. 6 - Окно « Device and Pin Options » , Unused Pins

Подключаем это все в «Assignment Editor»

Рис. 7 - Вызов « Assignment Editor » из меню или панели

В появившемся окне делаем как у меня, ну или если совсем правильно, то согласно схеме вашей платы.

Рис. 8 - Assinement Editor

В колонке «To» вписываем имя входа или выхода. В колонке «Assignment Name» выбираем «Location». В колонке «Value» номер контакта микросхемы, согласно схемы платы (у меня номера пинов написаны прямо на плате).

Также нужно указать, что делать с кнопками, которые одной ногой подключены к земле, а другой ко входу чипа. При нажатии на ноге будет низкий уровень, а вот без нажатия, непонятно, нога чипа будет просто висеть в воздухе, что очень плохо. Нужно подтянуть к питанию вход чипа либо резистором на плате, либо боле элегантным способом в «Assignments Editor». В колонке «Assignment Name» выбираем «Weak Pull Up resistor» для группы key* (группа обозначается через звездочку).

Рис. 9 - Assignment Editor

Далее нужно создать описание модуля верхнего уровня, который будет работать непосредственно с ножками чипа, все остальные модули будут работать только с ним. В главном меню жмем New, и выбираем "Design Files-> Block Diagram/Schematic File".

Рис. 10 - Диалог новых файлов

В открывшемся окне выбираем инструмент «Pin Tool» и располагаем вход и выход (пины ввода и вывода) на диаграмме. Переименовываем вход как key, выход как led и соединяем их проводником. Сохраняем и нажимаем "Start Compilation".

Рис. 11 - Окно графического описания, выделены Pin Tool и Start Compilation

После компиляции у нас возникли предупреждения, пока игнорируем их, они касаются неподключенных пинов, отсутствия тактового сигнала и описания для «Timing Analyzer».

Подключаем демоплату и программатор, выбираем инструмент «Programmer». В окне должно значиться «USB-Blaster », если нет то нажимаем «Hardware Setup» и пытаемся разобраться почему нет, скорее всего не установлены драйвера, смотрим в устройства Windows, ищем неопределенные устройства, может с кабелем проблема. Если все хорошо нажимаем «Auto Detect» и выбираем наш чип.

Рис. 12 - Окно Programmer

Нажимаем двойным щелчком мыши в поле «File» и выбираем файл для записи на ПЛИС (находиться в папке output_files нашего проекта), ставим галочку в поле «Program / Configure», и нажимаем кнопку «Start».

Рис. 13 - Окно Programmer, наш чип уже сконфигурирован

Поздравляю с первой конфигурацией ПЛИС! Диод D1 должен светиться, при нажатии key1 должен гаснуть (так как кнопка замыкает ножку с землей), далее мы с этим что-нибудь сделаем)

Программируемые логические интегральные схемы фирмы ALTERA и система автоматизированного проектирования MAX+PLUS II

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), а в зарубежной литературе именуемые PLD (programmable logic devices), - это полу заказные цифровые БИС, которые благодаря архитектурным и технологическим особенностям можно разрабатывать и изготовлять без специализированного технического оборудования. ПЛИС появились на мировом рынке в середине 80-х гг. И сразу получили широкое распространение, переместив процесс создания специализированной БИС с завода на рабочее место проектировщика. Цикл разработки БИС сократился до нескольких часов, и значительно уменьшились соответствующие затраты.

С начала 90-х гг. наибольшим спросом пользуются ПЛИС, обладающие:

высокой логической интеграцией на основе технологий КМОП;

быстродействием до 80 -100 МГц и выше;

возможностью программирования (загрузки внутренней конфигурации) без программатора.

Всем этим требованиям соответствуют ПЛИС фирмы ALTERA (США) - мирового лидера в области ПЛИС. В настоящее время ALTERA выпускает семь семейств ПЛИС различной архитектуры [ 14 ].

В России наиболее известны ПЛИС классического (Classic) семейства, некоторое время выпускаемые компанией INTEL. Основными преимуществами этих микросхем являются простота, низкая стоимость, удобные для монтажа DIP- корпуса, микропотребление энергии в статическом режиме и возможность поддержки отечественными средствами (САПР “ФОРС+” , программаторы “Блиц”, ”Стерх”, ”Форсис”). ПЛИС ЕР220 заменяет любую микросхему серии 1556 (ХП4, ХП6, ХП8, ХЛ8) .

Все ПЛИС изготавливаются по технологии КМОП с ультрафиолетовым стиранием (EPROM), обеспечивающей следующие параметры энергопотребления:

в статическом режиме - 10-30 мкА;

на частоте 1 МГц - 2-8 мА;

при увеличении тактовой частоты - 1 мА/МГц.

Для снижения цены на 30-40% при серийном производстве изделий все ПЛИС также выпускаются в пластмассовых корпусах (DIP и PLCC) с однократным программированием.

Недостатками ПЛИС классического семейства являются относительно невысокая степень интеграции и некоторые особенности архитектуры: отсутствие у триггеров входа установки в “1” (SET), блокирование контактов при реализации внутренних элементов памяти.

Этих недостатков полностью лишены ПЛИС семейств MAX7000 и FLASHlogic, которые имеют матричную архитектуру, т.е. содержат программируемые матрицы логических вентилей “И”, ”ИЛИ” и триггеры.

Семейство MAX7000 состоит из семи микросхем со степенью интеграции от 1200 до 10000 эквивалентных логических вентилей, содержащих от 32 (EPM7032) до 256 (EPM 7256) триггеров.

Дополнительно выпускается ПЛИС EPM7032V - функциональный аналог микросхемы EPM7032 с напряжением питания 3,3 В.

ПЛИС семейства MAX7000 изготавливаются по технологии КМОП с электрическим стиранием (EEPROM). Они обеспечивают:

минимальную задержку распространения сигнала от входа до выхода 5 нс.;

максимальную тактовую частоту 190 МГц;

до 100 циклов программирования/стирания.

ПЛИС семейства MAX7000 имеют гибкую архитектуру. Их макроячейки содержат по две независимые линии обратной связи; с триггера и с контакта. Это позволяет использовать триггер в качестве внутреннего регистра, а контакт одновременно - как входной порт. Дополнительными ресурсами ПЛИС являются термы расширения (expander terms) - конъюнкторы, инверсные выходы которых образуют обратные связи с матрицей элементов “И”. Термы позволяют формировать управляющие сигналы (например, CLK, SET, RESET) без затрат макроячеек. В результате перераспределения термов между макроячейками число входов элементов “ИЛИ” может быть увеличено до 32.

Каждая макроячейка имеет индивидуальный турбо бит, программирование которого позволяет уменьшить потребляемую мощность при некотором снижении быстродействия. Начиная с 1996 г. все ПЛИС семейства MAX7000 будут выпускаться в варианте ISP (in system programmable - программируемые в системе). Это позволит программировать и стирать схему непосредственно на рабочей плате через 4-й сигнальный интерфейс, подключенный к порту компьютера. Наличие программатора становится необязательным, что значительно упрощает и удешевляет применение ПЛИС.

ПЛИС семейства MAX7000 имеют низкую стоимость. Например, цена микросхемы ЕРМ7032 составляет менее 7 , а микросхемы ЕРМ7128 - менее 25.

С появлением семейства MAX7000 значительно уменьшилась практическая ценность выпускавшихся ранее ПЛИС семейства MAX5000, т.к. появились аналоги всех микросхем (например, ЕРМ5128 - ЕРМ7128) с лучшими характеристиками быстродействия и энергопотребления по более низким ценам.

MAX+PLUS II - это система автоматического проектирования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), разработанная Altera Corporation, мировым лидером по производству ПЛИС.

MAX+PLUS II - это многофункциональный программный продукт, обеспечивающий проектировщику возможность полного проектирования ПЛИС, начиная с ввода схемы, которую проектировщик собирается реализовать на ПЛИС и заканчивая программирования самой ПЛИС на программаторе.

MAX+PLUS II предлагает следующие возможности для пользователя:

ввод внутренней структуры ПЛИС путем графического ввода функциональной схемы;

ввод внутренней структуры ПЛИС c помощью языка программирования высокого уровня Altera Hardware Description Language (AHDL), который полностью встроен в оболочку MAX+PLUS II ;

моделирование работы ПЛИС в виде временных диаграмм;

при наличии программатора произвести запись спроектированной структуры в ПЛИС и др.

При описании внутренней структуры ПЛИС с помощью AHDL возможны несколько вариантов.

В первом варианте проводить описание структуры в примитивах, т.е. используя простейшие функции типа RS-триггер,D-триггер, T-триггер, JK-триггер и др.

При втором варианте проводить описание при помощи примитивов и мега-функций.

Мега-функции представляют собой сложные логические функции типа счетчик, мультиплексор, дешифратор, регистр и др.

Преимуществом первого варианта является то, что транслятор затрачивает меньше времени на преобразование простейших функций языка AHDL в машинные коды.

Недостатками данного варианта является большой объем текста программ и необходимость подробного описания всей системы.

Во втором варианте, при использовании мега-функций, отпадает надобность подробного описания элементов в том смысле, что программист задает только параметры сложной логической функции. Для примера, используя мега-функцию lpm_counter счетчик можно описать, задав только тактируемый вход и ширину самого счетчика. Это значительно уменьшает объем, занимаемый текстом программы, а также позволяет несколько сократить время написания программы.

Недостатком является то, что на трансляцию программы в машинные коды затрачивается больше времени по сравнению с первым вариантом.

Но в конечном итоге результат получается одинаковым, поэтому стиль написания программного продукта целиком зависит от проектировщика.

При отладке написанного программного продукта SIMULATOR MAX+PLUS II позволяет подробно рассмотреть результат работы ПЛИС в виде временных диаграмм. Проектировщик может выбирать различные выходы и промежуточные состояния, описанные в программе, а также задавать различные входные воздействия.

1 Назначение выводов в проекте Quartus II

В меню Assignements Device… выбираем ПЛИС, в которую вы собираетесь «залить» проект. В группе Device Family нужно выбрать семейство, к которому относится ваша ПЛИС. В поле Available devices выберите модель вашей ПЛИС. У меня, например, это Cyclone II, модель EP2C5T144C8.

В группе Show in "Available devices" list можно отсортировать устройства по типу корпуса (Package ) или по количеству выводов (Pin count ), чтобы быстрее найти вашу модель ПЛИС.

Нелишним будет задать, в каком состоянии будут находиться неподключённые ножки ПЛИС. Нажмите кнопку Device and Pin Options… , перейдите к пункту Unused Pins , и укажите состояние выводов.

После того как указали модель ПЛИС, закрываем окно Device , нажав кнопку OK .

Если вы хотите, чтобы синтезатор сам назначил функции выводам, то можно ничего больше не делать. А для того, чтобы вручную назначить выводы ПЛИС, идём в меню Assignements Pin Planner или нажимаем сочетание клавиш Ctrl+Shift+N .

Запуск инструмента назначения выводов Pin Planner

Запустится инструмент назначения выводов Pin Planner . Внизу отображается список используемых в вашем проекте пинов ввода-вывода с соответствующими именами Node Name .

Теперь в столбце Location нужно задать номера выводов. Дважды кликаем на соответствующей ячейке и выбираем номер вывода, или же вводим с клавиатуры номер. Номера выводов будут зависеть от вашей макетной платы. Например, в моей плате тактовый импульс CLK, согласно мануалу, на 17 выводе, а выходам OUT1…OUT5 я назначу свободные выводы 94, 97, 100, 103 и 93.

После того, как все выводы были определены, окно планировщика пинов Pin Planner можно закрыть. Теперь скомпилируйте проект: Processing Start Compilation или Ctrl+L .

2 Установка драйвера для программатора USB Blaster

Подключим программатор USB Blaster к компьютеру (если у вас его нет, то можно приобрести на Али-Экспресс). При первом подключении необходимо установить драйвер. Он устанавливается стандартным образом, и находится в директории Квартуса, в папке drivers : C:\altera\13.0sp1\quartus\drivers

После установки драйвера, программатор будет отображаться в диспетчере устройств как Altera USB-Blaster.

через интерфейс JTAG

ПЛИС фирмы Altera поддерживают несколько режимов программирования. Сначала рассмотрим загрузку прошивки в ПЛИС через интерфейс JTAG . Подключите программатор к разъёму JTAG на плате с ПЛИС.

Запустим инструмент для программирования: Tools Programmer .

Добавим программатор. Для этого нажмём кнопку Hardware Setup… и в выпадающем списке выберем подключённый USB Blaster. Закроем окно Hardware Setup .

В окне программатора Programmer нажмите кнопку Auto Detect , чтобы Quartus попытался автоматически определить подключённую ПЛИС и файл прошивки *.sof.

Файл прошивки создаётся Квартусом по умолчанию при компиляции и сохраняется в директории output_files , если не задано иное.

В окне Programmer выберите режим JTAG , установите галочку Program/Configure и нажмите кнопку Start . Прошивка будет записана в память ПЛИС.

в режиме Active Serial

Чтобы прошивка сохранилась в ПЗУ, запишем прошивку в режиме Active Serial .

Подключите кабель программатора к разъёму AS или Active Serial . Запустите программу прошивки: Tools Programmer .

Выберите режим Mode Active Serial . Соглашайтесь при ответе на уточняющий вопрос.

Добавим файл прошивки, нажав кнопку Add File… В поддиректории проекта output_files найдите файл с расширением .pof .

После открытия файла прошивки, установите галочки Program/Configure и, по желанию,остальные.

Обратите внимание на тип конфигурационной памяти в столбце Device : он должен соответствовать типу памяти, которая установлена у вас на плате.

Нажмите кнопку Start для загрузки прошивки в конфигурационную память ПЛИС.

Для преобразования и настройки файлов прошивок существует инструмент, который доступен из меню File Convert Programming Files… .

Для большинства радиолюбителей конструкторов занимающихся собственными разработками давно известны и освоены цифровые микросхемы. Многие достаточно давно проектируют свои конструкции на микроконтроллерах так как это в значительной степени уменьшает габариты и улучшает функциональность устройств. Вот только беда в том, что не всё можно построить на основе контроллера. Быстродействующие устройства требующие мгновенной реакции на изменяющиеся входные сигналы построить на микроконтроллере не удастся так как в нём организована поэтапная (конвейерная) обработка команд в результате которых принимается решение о выдаче того или иного сигнала. Поэтому наряду с микроконтроллерами приходится использовать обычную логику, иногда с приличным количеством корпусов. Следствием этого является большое число внешних соединений, сложность конструкции и большие габариты печатных плат, большая длина соединительных проводников, сложность построения устройств с высокой тактовой частотой, низкая надёжность. Решением данной проблемы является использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), которые представляют собой совокупность некоторого числа функциональных базовых элементов, не имеющих жестких электрических соединений между собой, что позволяет задавать практически произвольную конфигурацию с целью создания той или иной электронной схемы. На первом этапе ПЛИС представляли собой микросхемы с пережигаемыми перемычками такие как К556РТ4-РТ5 и др. на них можно было создать некоторые функции но запихнуть небольшую схему со счётчиками и триггерами было не возможно.

Этапы проектирования устройств на основе простой логики плохо автоматизированы и в случае ошибки необходимо дорабатывать плату вводить дополнительные элементы. Изучение программного Пакета MAX+plus II BASELINE и ПЛИС фирмы Altera, позволит не только упростить схему но и не наступать на множество подводных камней. Данное программное обеспечение можно использовать и при проектировании схем на 155серии и её аналогах. Для программирования (создания соединений) в PLD (а также и

CPLD) используются технологии EPROM, EEPROM и FLASH. Для радиолюбителей наибольший интерес представляют микросхемы FLASH так как они позволяют перепрограммировать кристалл порядка 100 раз и после снятия питающего напряжения сохраняют структуру установленную в результате программирования.

В данной статье будут рассмотрены вопросы поэтапной разработки схем на основе ПЛИС фирмы Altera — EPM3064А как наиболее дешёвой. Она размещена в 44 выводном корпусе типа PLCC. Микросхема имеет смешанное питание и мультивольтовый интерфейс ввода/вывода (I/O). Напряжение питания логического ядра 3,3 вольта элементов ввода/вывода – 5; 3,3; и 2,5 вольта. Максимальная тактовая частота 227,3мГц в зависимости от модификации. Установкой битов конфигурации возможно управлять крутизной фронтов (Slew Rate ) входных/выходных сигналов. Имеется также реализация выходов с открытым стоком установкой бита (Open Drain ). Имеется возможность установить режим энергосбережения который уменьшает более чем на 50% потребляемую мощность. Имеется также возможность установить бит секретности (security bit ) который не позволит скопировать внутреннюю конфигурацию микросхемы. Данная микросхема имеет 4 блока логических матриц и 64 макроячейки. Программируемые триггеры макроячеек имеют индивидуальные входы синхронизации (clock ), разрешения синхронизации (clock enable ), обнуления (clear ), и предустановки (preset ). Каждая макроячейка может рассматриваться как программируемая матрица И и фиксированная матрица ИЛИ . На выходе матрицы ИЛИ включен регистр с конфигурируемой схемой управления. Схема управления регистром обеспечивает независимо программируемые сигналы синхронизации, разрешения синхронизации, обнуления, и предустановки. В данную микросхему по мнению автора можно запихнуть 10-15 корпусов 155 серии (в продаже имеются микросхемы EPM3256 с 16 блоками логических матриц и 158 выводами).

Архитектура EPM3064A включает следующие элементы: Логические блоки (LABs ). Макроячейки (Macrocells ). Логические расширители, разделяемый (Shareable ) и параллельный (Parallel ). Программируемая матрица соединений (PIA ). Блоки управления вводом/выводом (I/ O control blocks ). Микросхема имеет четыре специализированных входа (dedicated pin ) которые могут использоваться как входы общего назначения или входы высокоскоростных глобальных управляющих сигналов (синхронизации –clock , обнуления clear и двух сигналов разрешения выхода — enable ), для каждой макроячейки и контакта ввода вывода. Блок схема изображена на рис1.

РИС 1

Основу архитектуры EPM 3064A составляют логические блоки , состоящие из 16 макроячеек . Логические блоки соединяются вместе при помощи программируемой матрицы соединений (PIA ). К каждому логическому блоку подводятся следующие сигналы: 36 сигналов от PIA , используемых в качестве логических входов. Глобальные управляющие сигналы. Непосредственные цепи от входных буферов к регистрам, обеспечивающие высокое быстродействие. Подробнее о функциональном составе и принципе работы микросхемы можно почитать в .

РИС 2

Для программирования микросхемы необходимо изготовить специальный загрузочный кабель ByteBlasterMV Рис2 . Он позволяет быстро и эффективно изменять конфигурацию ПЛИС как в стадии тестирования проекта, так и во время эксплуатации. Перепрограммирование может быть выполнено непосредственно в системе. Пока идет программирование, выводы микросхемы переводятся в третье состояние, для избежания конфликта с системой. Сопротивление внутренних “подтягивающих” резисторов 50 кОм.

Данный загрузочный кабель можно использовать для программирования микросхем серий МАХ 3000А, МАХ7000, МАХ 9000 а так же многих других, подробнее можно почитать в . Схема загрузочного кабеля приведена на рис3. Разъём Х1 подключается непосредственно к параллельному порту компьютера или через удлиняющий кабель причём его длинна не должна превышать 1,5 метра. Питание для программатора берётся непосредственно от схемы проектируемого устройства. Для нормальной работы программатора необходимо установить драйвер ByteBlasterMV о чём будет описано далее. Микросхему D 1 желательно использовать оригинальную так как она может работать в диапазоне питающих напряжений от 2,5 до 5 вольт (в крайнем случае можно заменить на 1564АП5). Все резисторы типа МЛТ 0,125. Конденсатор С1 керамический.

РИС 3

Печатная плата Рис4 . изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5мм и размерами 52х43мм.

РИС 4

Для создания проекта в среде системы MAX+PLUS II фирмы ALTERA необходимо скачать с интернета и установить Рис5. свободно распространяемый файл baseline10_1.exe ссылка на сайт приведена в . После установки программы для полнофункциональной работы необходимо зайти на сайт фирмы Альтера и получить файл лицензии . На этойстранице выбираете ссылку MAX+PLUS II software for students & universities . На следующей странице выбираете ссылку Version 10.2, 10.1, or 9.23 и нажимаете кнопку continue . На следующей странице в окне набираете Ваш регистрационный номер жесткого диска. Для этого в Windows нажимаете кнопку ПУСК затем Программы, Стандартные, командная строка, и набираете команду dir иenter .

РИС 5

Во второй строке распечатается серийный номер диска состоящий из 8 цифр. Вот его и необходимо ввести. Далее нажимаете кнопку continue и на следующей странице заполняете форму. По окончании заполнения формы нажмите кнопку continue. Файл лицензии будет выслан вам по почте. Создайте папку c:\mp2student\ и поместите туда высланный вам файл license.dat . Для установки файла лицензии запустите MAX+plus II 10.1 BASELINE далее нажмите вкладку Options и License Setup в появившемся окне нажмите кнопку Browse, и укажите путь до файла лицензии. Нажмите кнопку OK . После этого все приложения станут доступные. После этого необходимо установить файл драйвера программатора. Для этого нажимаем кнопку ПУСК затем Настройка, панель управления, установка оборудования далее затем кнопку Д а, устройство уже подсоединено и кнопку далее . В следующем окне выбираем Добавление нового устройства и Д алее . Устанавливаем кнопку на Установка оборудования выбранного из списка вручную и Д алее . В списке выбираем Звуковые, видео и игровые устройства и Д алее . Нажимаем кнопку У становить с диска , далее кнопку Обзор . Устанавливаем путь C:\maxplus2\Drivers\win2000 если у вас установлен WindowsXP затем кнопку ОК. Из списка выбираем Altera ByteBlaster , кнопку далее и Готово .

Система MAX+PLUS II имеет средства удобного ввода проекта, компиляции и отладки, а также непосредственного программирования устройств. Программное обеспечение системы MAX+PLUS II содержит 11 приложений и главную управляющую программу. Различные приложения, обеспечивающие создание проекта, могут быть активизированы мгновенно, что позволяет пользователю переключаться между ними щелчком мыши или с помощью команд меню. В это же время может работать одно из фоновых приложений, например, компилятор, симулятор, анализатор синхронизации и программатор.

В таблице приведено описание приложений.

Таблица

Приложение	Выполняемая функция
Hierarchy Display	Обзор иерархии — отображает текущую иерархичнскую структуру файлов в виде дерева с ветвями, представляющими собой подпроекты.
Graphic Editor	Графический редактор — позволяет разрабатывать схемный логический проект в формате реального отображения на экране.
Symbol Editor	Символьный редактор — позволяет редактировать существующие символы и создавать новые.
Text Editor	Текстовый редактор — позволяет создавать и редактировать текстовые файлы логического дизайна, написанные на языках AHDL, VHDL, Verilog HDL.
Waveform Editor	Сигнальный редактор — выполняет двойную функцию: инструмент для разработки дизайна и инструмент для ввода тестовых векторов и наблюдения результатов тестирования.
Floorplan Editor	Поуровневый планировщик — позволяет графическими средствами делать назначения контактам устройства и ресурсов логических элементов.
Compiler	Компилятор — обрабатывает графические проекты.
Simulator	Симулятор — позволяет тестировать логические операции и внутреннюю синхронизацию проектируемой логической цепи.
Timing Analyzer	Временной анализатор — анализирует работу проектируемой логической цепи после того, как она была синтезирована и оптимизирована компилятором.
Programmer	Программатор — позволяет программировать, конфигурировать, проводить верификацию и тестировать ПЛИС фирмы ALTERA.
Message Processor	Генератор сообщений — выдает на экран сообщения об ошибках, предупреждающие и информационные сообщения.

Создадим рабочий каталог в котором будем размещать наш проект C:\ALTERA_WORK\schetchic . Схему можно описывать на языках AHDL, VHDL, Verilog HDL (для тех кто предпочитает программирование) или графическим способом (больше подходит для радиолюбителей). Файл проекта - это графический, текстовый или сигнальный файл, созданный с помощью графического или сигнального редакторов системы MAX+PLUS II. Этот файл содержит логику для проекта MAX+PLUS II и компилируется компилятором. Компилятор может автоматически обрабатывать следующие файлы проекта: графические файлы проекта (.gdf ); текстовые файлы проекта на языке AHDL (.tdf ); сигнальные файлы проекта (.wdf ); файлы проекта на языке VHDL (.vhd ); файлы проекта на языке Verilog (.v ); схемные файлы OrCAD (.sch ); входные файлы EDIF (edf ); файлы формата Xilinx Netlist (.xnf ); файлы проекта Altera (.adf ); файлы цифрового автомата (.smf ). Вспомогательные файлы - это файлы, связанные с проектом MAX+PLUS II, но не являющиеся частью его иерархического дерева. Большинство таких файлов не содержит логики проекта. Некоторые из них создаются автоматически приложением системы MAX+PLUS II, другие - пользователем. Примерами вспомогательных файлов являются файлы назначений и конфигурации (.acf ), символьные файлы (.sym ), файлы отчета (.rpt ) и файлы тестовых векторов (.vec ).

Итак в главном меню нажимаем File затем New и выбираем пункт Graphic Editor file и OK рис6. Откроется окно графического редактора. Далее сохраним наш проект под именем schetchic . gdf в наш каталог C:\ALTERA_WORK\ для этого нажимаем File затем Save As и OK . Привяжем имя файла к файлу проекта для этого в главном меню нажимаем File затем Project и далее Set Project to Current File или вместо этого можно нажать одновременно клавиши Ctrl + Shift + J . Зададим тип микросхемы который будет использоваться в проекте. Для этого в главном меню нажмем кнопку Assign затем Device .

В появившемся окне в строке Device Familay выбираем серию MAX 3000 A . А в окне Devices EPM3064ALC44-4 и OK . Если вы не знаете какой объём у вас будет занимать проект то Devices лучше установить AUTO , компилятор сам подберёт тип микросхемы.

РИС 6

В рабочей библиотеке имеются элементы различного вида:

1). Логических примитивов (находящихся в папке c:\maxplus2\max2lib\prim\) таких элементов как and , or , nor и др. с различным количеством входов.

2). Аналогов дискретной логики 74-й серии являющиеся аналогами 155 серии (находящихся в папке c:\maxplus2\max2lib\mf\).

3). Параметризированных логических функций, позволяющих создавать проекты цифровых устройств любой сложности (находящихся в папке c:\maxplus2\max2lib\mega_lpm\).

Cоздадим каталог в котором будем размещать собственную библиотеку компонентов C:\ALTERA_WORK\Altera_Lib и подключим её к проекту. Для этого в главном меню нажмем кнопку Options затем User Libraries и в окно Directory Name введём путь c:\altera_work\altera_lib затем OK. Разместить на экране символ можно двумя способами для этого щелкнем правой кнопкой по месту где хотим разместить элемент и выберем в появившемся окне менюшку Enter Symbo l в окне Symbol Name появившегося окна набрать имя элемента и нажать ОК . Или выбрать необходимую библиотеку в окне Symbol Libraries диалогового окна Enter Symbol и двойным щелчком левой клавиши мыши открыть её. Затем аналогичным образом выбрать необходимый элемент в окне Symbol File . Если проект небольшой и вас устраивают все элементы находящиеся в библиотеке то таким образом устанавливаем все необходимые элементы и соединяем их выводы при помощи проводников. Для этого в графическом редакторе слева находятся пиктограммы при нажатии на которые можно получить соединение прямая линия, линии размещённые под прямым углом, сектора и окружности.Если линия выделена красным цветом то на ней можно нанести адрес соединения а само соединение не делать. Входные и выходные цепи наносят выбрав в библиотеке элементов input и output (при необходимости присваиваем им имя). Для нанесения логической единицы и нуля набираем vcc или gnd . А если необходим свой символ то необходимо открыть новое окно графического редактора и нарисовать схему компонента Рис7 присвоить ему имя и сохранить в библиотеке c:\altera_work\altera_lib . Привязать к файлу проекта и откомпилировать нажав ctrl+ L . Если ошибок нет, то можно проверить работу схемы при помощи симулятора.

РИС 7

Для этого открываем Waveform Editor , сохраняем файл под тем же именем. На первой строчке под Name : щёлкаем правой кнопкой мышки, и выбираем меню Enter nodes from SNF , в появившемся окне нажимаем кнопку List , в окне Available Nodes & Groups появятся все входы и выходы нашей схемы. Выделяем необходимые (в данном случае IN и OUT ) и нажимаем кнопку => выделенные символы скопируются в правое окно. Нажимаем OK . В редакторе можно увидеть осциллограмму Рис8. Под именем Value можно установить первоначальное состояние входного сигнала для этого левой кнопкой мышки щелкаем по строке слева, в редакторе высвечиваются пиктограммы логической 1 и 0, нажатием пиктограммы присваиваем состояние входа. Можно ввести изменяющийся во времени сигнал или Z состояние. Конечное время осциллограммы можно ввести зайдя в меню File затемEnd Time . Метки времени устанавливаются через меню Options затем Grig Size .

Для просмотра состояния осциллограммы во времени, запустим Simulator нажав кнопки Ctrl+ Shift+ L . Осциллограмму можно увидеть на Рис9. Если полученная модель компонента нас устраивает нарисуем изображение символа. Для этого откроем редактор символа, в главном меню нажимаем File затем New и выбираем пункт Symbol Editor file и OK рис6. Нажав левую кнопку мышки рисуем очертание символа предварительно выбрав слева в пиктограмме инструмент для рисования.

Двойным щелчком левой кнопки мышки открываем меню Enter Pinstub слева в окне указываем тип вывода вход иливыход I / O Type . В окне Full Pinstub Name Указываем имя вывода (в нашем случае IN — входOUT — выход). Размеры всех линий и надписей можно изменять и перемещать щёлкнув левой кнопкой по перемещаемому элементу. Файл необходимо сохранить под тем же именем что и файл графического редактора в нашу папку библиотеки.

Закрыв все вспомогательные окна можно ввести символ в файл нашего проекта.

Рассмотрим практическую схему трёхразрядного счётчика с динамической индикацией Рис10. Блок питания собран на микросхеме D 2 типа LM 317 и обеспечивает необходимое для D 1 напряжение.

РИС 10

Выходной ток разрядов индикатора может быть порядка 80 ма при всех включенных индикаторах, поэтому разряды индикаторов коммутируются транзисторами VT 1-VT 3. Для экспериментальной модели выбрана схема внутреннего генератора, внешние цепи которого представляют собой резисторы R 16,R 18,C 2, но в рабочей схеме генератор лучше делать внешним. По мнению автора ПЛИС не очень хорошо работают с ёмкостными нагрузками. Разъём Х1 необходим для подключения к программатору.

Рассмотрим внутреннюю структуру проекта Рис11. Все компоненты создавались заново, по приведённой выше методике и сохранялись в собственной библиотеке компонентов.

РИС 11

На схеме компонент 0_3r_commutator – это трёхразрядный коммутатор который переключает по очереди разряды индикатора а также выдаёт управляющие уровни на мультиплексоры 0_3 and _ or . Мультиплексоры подключают в зависимости от индицируемого разряда десятичные счётчики 0_2 b _10 d _ counter к двоично — семисегментному дешифратору 0_ bcd _7 seg . В названиях компонентов присутствует предлог 0 _ которым мы обозначаем элемент собственной библиотеки. На схеме в проекте MAX+PLUS II двойным щелчком левой кнопки мышки по компоненту откроется графический редактор и мы увидим схему элемента. На рис 12 изображен коммутатор,схема которого состоит из примитивов стандартной библиотеки. Название NOT – означает инвертор, DFF – D триггер,AND 2 – элемент И с двумя входами. На рис 13 приведена внутренняя схема двоично десятичного счётчика. На рис 14 мультиплексора. И рис 15 двоично — семисегментного дешифратора. Ниже приведен список некоторых мегафункций стандартной библиотеки.

РИС 12

РИС 13

РИС 14

Логические элементы (Gates):

lpm_and – элемент И

lpm_inv – элемент НЕ (инвертор)

lpm_bustri – шина с тремя состояниями

lpm_mux — мультиплексор

lpm_clshift — логический сдвиг

lpm_or – элемент ИЛИ

lpm_constant — константа

lpm_xor – Элемент исключающее ИЛИ

lpm_decode — декодер

mux – мультиплексор

busmux — мультиплексор

РИС 15

Арифметические компоненты:

divide* — делитель

lpm_compare — компаратор

lpm_abs – абсолютное значение

lpm_counter — счетчик

lpm_add_sub – сумматор/вычитатель

lpm_divide — делитель

lpm_mult — умножитель

Элементы памяти:

altdpram* — двухпортовое ОЗУ

lpm_latch – регистр-защелка

lpm_shiftreg – сдвиговый регистр

dcfifo* — Dual-Clock FIFO

lpm_ram_dp — двухпортовое ОЗУ

scfifo* — Single-Clock FIFO

lpm_ram_dq – ОЗУ с раздельным входным и выходным портом

csdpram — Cycle-Shared Dual-Port

lpm_ram_io — ОЗУ с общим входным и выходным портом

lpm_ff — Триггер

lpm_rom — ПЗУ

lpm_fifo — Single-Clock FIFO

lpm_dff* — D – триггер и сдвиговый регистр

lpm_fifo_dc — Dual-Clock FIFO

lpm_tff* – T -триггер

Другие функции:

clklock — PLL (Phase-Locked Loop)

pll – детектор фронта импульса

ntsc – генератор видеосигнала NTSC

После того как созданы все компоненты, нарисована общая схема проекта и сделаны все соединения, необходимо сохранить проект и произвести компиляцию. При отсутствии ошибок необходимо зайти в Waveform Editor и как было рассмотрено выше убедиться в правильности работы проекта Рис16.

РИС 16

Разведённая компилятором схема автоматически назначает входные и выходные ножки это можно посмотреть в Floorplan Editor нажав кнопку . В этом же редакторе можно изменить назначение ножек по собственному желанию. Для этого надо нажать кнопку и мышью перетащить имена выводов, отображаемых в окне Unassigned Nodes & Pins , на соответствующие номера выводов ПЛИС, а затем перекомпилировать проект. После этого любые изменения, вносимые во внутреннюю структуру проекта, т.е. не связанные с добавлением или удалением выводов, не будут изменять назначение выводов.

После этого подключаем схему Рис10 через разъём Х1 к программатору, а программатор к компьютеру(все эти процедуры проделываем при выключенном компьютере) подаём питание на схему. Открываем окно Programmer и нажимаем кнопку Program . После того как программа зальётся схема переключится в рабочий режим. Данный способ позволяет менять внутреннюю схему устройства в зависимости от изменяющихся задач не переделывая печатной платы.

Не смотря на кажущуюся сложность изучения программной среды MAX+PLUS II вы сможете делать проекты гораздо быстрее так как проектирование и отладка на компьютере даёт больше информации чем изготовление схемы на макетке и дальнейшее исследование при помощи осциллографа. Как уже отмечалось ранее полученные результаты можно с успехом использовать при изготовлении конструкций на основе 155-555 серии.