CC BY
100Валерий ЗОТОВ
walerry@km.ru
Структура архива проекта измерителя частоты цифровых сигналов, предназначенного для реализации на базе инструментального комплекта Spartan-3E Starter Kit
Все модули исходного описания проекта измерителя частоты цифровых сигналов, а также файлы, необходимые для его загрузки в кристалл, упакованы в архив s3esk_frequency_ counter.zip, который можно свободно скопировать, открыв Web-страницу http:// www.xilinx.com/products/boards/s3estarter/ reference_designs.htm. В состав этого архива входят следующие файлы:
• модуль исходного описания верхнего уровня иерархии проекта аппаратной части устройства на языке VHDL frequency_comtenvhd,
• файл исходного описания генератора тестового сигнала с частотой ~145 МГц на языке VHDL dcm_fixed_osc.vhd;
Измеритель частоты цифровых сигналов, выполненный на основе микропроцессорного ядра семейства PicoBlaze
и реализуемый на базе инструментального комплекта Spartan-3E Starter Kit фирмы Xilinx
Предлагаемая вниманию читателей статья продолжает серию публикаций, начатую в [1]. Она знакомит с проектами встраиваемых микропроцессорных систем различного назначения, выполненными на основе конфигурируемых микропроцессорных ядер фирмы Xilinx® семейств PicoBlaze™ [2—7] и MicroBlaze™ [2, 8—10]. В настоящей статье рассматривается проект измерителя частоты цифровых сигналов, в структуру которого входит 8-разрядное микропроцессорное ядро семейства PicoBlaze, предназначенное для применения в кристаллах ПЛИС серий Spartan-3, Spartan-3E, Virtex-II, Virtex-IIPRO и Virtex-4. Этот проект наглядно демонстрирует возможность использования конфигурируемых ядер указанного семейства при разработке измерительных систем. Разработчики могут использовать рассматриваемое устройство или его отдельные модули исходного описания в процессе проектирования собственных систем и комплексов. Для аппаратной реализации проекта измерителя частоты цифровых сигналов используется инструментальный модуль Xilinx Spartan-3E Starter Board™, входящий в состав стартового комплекта Spartan-3E Starter Kit, который был представлен в [11].
модуль исходного описания генератора тестового сигнала с частотой 118 МГц на языке VHDL ring_osc.vhd; файл временных и топологических ограничений проекта измерителя частоты цифровых сигналов frequency_counter.ucf, соответствующий схеме включения ПЛИС XC3S500E в составе инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board; исходный текст микропроцессорной программы и процедуры обработки прерывания на языке ассемблера fc_ctrl.psm; файл описания содержимого программной памяти измерителя частоты цифровых сигналов на языке VHDL fc_ctrl.vhd, полученный в результате трансляции исходного текста микропроцессорной программы и процедуры обработки прерывания на языке ассемблера;
файл конфигурационной последовательности frequency_counter.bit, реализующей измеритель частоты цифровых сигналов,
предназначенный для непосредственной загрузки в кристалл;
• командный файл install_frequency_counter.bat, используемый для непосредственной загрузки конфигурационной последовательности измерителя частоты цифровых сигналов в ПЛИС XC3S500E инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board , выполняемой автоматически в пакетном режиме;
• файл документации frequency_counter_ v100.pdí, содержащий описание проекта измерителя частоты цифровых сигналов, выполненное в формате PDF.
В архив проекта не включен файл, содержащий исходное VHDL-описание исполнительного модуля микропроцессорного ядра семейства PicoBlaze. Поэтому при внесении изменений в модули исходного описания измерителя частоты цифровых сигналов или создании новых проектов, выполняемых на основе рассматриваемого устройства, для выполнения процессов синтеза, размещения
и трассировки проекта в кристалле следует добавить в состав этого проекта файл kcpsm3.vhd. Этот файл входит в состав архива исходных модулей описания микропроцессорного ядра PicoBlaze KCPSM3.zip, которое предназначено для применения в проектах, реализуемых на основе ПЛИС семейств Spartan-3, Spartan-3E,Virtex-II, Virtex-IIPRO и Virtex-4 [7]. Для получения данного архива необходимо вначале выполнить процедуру бесплатной регистрации на Web-сервере фирмы Xilinx (http://www.xilinx.com/), в ходе которой пользователю присваивается введенный им идентификационный код (UserID) и пароль (Password). Затем следует открыть Web-страницу http://www.xilinx.com/ipcenter/ processor_central/picoblaze/index.htm и, указав параметры идентификации пользователя, скопировать файл архива, соответствующий указанной версии микропроцессорного ядра PicoBlaze.
Принцип работы и функциональная схема измерителя частоты цифровых сигналов, реализуемого на базе инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board
Функционирование рассматриваемого измерителя частоты цифровых сигналов основано на вычислении количества периодов изменения исследуемого сигнала за определенный промежуток времени. В качестве ин-
Г енератор тестового сигнала с частотой 11В МГц
Г енератор тестового сигнала с частотой 145 МГц
Внешний сигнал синхронизации_ с частотой 50 МГц Вход измеряемого сигнала —
Блок формирования Блок формирования
импульсов 1с сигнала прерывания
xb
/ Селектор N, Блок коммутации Двухканальный блок
входов измерительных каналов измерения частоты
Устройство
управления
Микропроцессорный
блок
л
Жидкокристаллический
дисплей
Блок светодиодных индикаторов
Рис. 1. Структурная схема измерителя частоты цифровых сигналов, реализуемого на базе инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board
тервала измерения выбран промежуток времени, длительность которого составляет 1 с. Номинальный диапазон измерения частоты входного сигнала составляет от 1 Гц до 200 МГц. Верхняя граница этого диапазона определяется максимально допустимым значением частоты сигналов проекта, реализуемого на базе выбранной ПЛИС семейства 8раі!ап-3Е.
Структурная схема измерителя частоты цифровых сигналов представлена на рис. 1. В состав аппаратной платформы рассматриваемого устройства входят следующие блоки:
• селектор входов;
• блок формирования импульсов длительностью 1 с;
• блок коммутации измерительных каналов;
• двухканальный блок измерения частоты;
• блок формирования сигнала прерывания;
• генератор тестового сигнала с частотой 145 МГц;
• генератор тестового сигнала с частотой 118 МГц;
• устройство управления;
• микропроцессорный блок;
• жидкокристаллический дисплей;
• блок светодиодных индикаторов. Селектор входов предназначен для выбора
одного из четырех источников измеряемого сигнала: генератора тестового сигнала с частотой 145 МГц, генератора тестового сигнала с частотой 118 МГц, внешнего кварцевого генератора тактового сигнала с частотой 50 МГц или сигнала, поступающего через высокочастотный разъем типа 8МЛ. Управление рабо-
led (6)
К ЖК-дисплею led (5)
От устройства управления
От блока измерения частоты
a count
switch (2)
switch (1)
switch (0)
Ч i31:25?
ч (23:16;
Порт быстрой загрузки программ
Программная память
fc_ctrl
(23:16)
(15:8)
Входные
порты
ввода/
вывода
input_ports
-о-
proc_reset | JTAG instruction
У dk
Исполнительный модуль PicoBlaze
Kcpsm3 processor
instruction address
in port out_port
write_strobe
read_strobe port_id
interrupt interrupt interrupt_ack
- > dk
¡nterrupt_delay (99)
jrart^id^
Выходные
порты
ввода/
вывода
output_ports
-Dd :0
И
led (7)
led (6) led (5) led (4)
led (3) led (2)
'ed(1)
led (0)
К блоку
светодиодных
индикаторов
í
У
b_count_rst К блоку измерения
a_count_rst U9rTnTU
source_control (7)
source_control (6)
source_control (0)
sourcecontrol (1)
К генераторам
тестовых
сигналов
К селектору входов
У
^jcdm-ф
К ЖК-дисплею
Рис. 3. Функциональная схема микропроцессорного блока измерителя частоты цифровых сигналов
той селектора входов осуществляется с помощью сигналов, которые формируются в микропроцессорном блоке на основании анализа данных, считываемых из устройства управления.
Более детальная функциональная схема, поясняющая структуру входных и измерительных узлов цифрового частотомера, реализуемого на базе инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board, приведена на рис. 2. Блок формирования импульсов длительностью 1 с выполнен на основе 26-разрядного счетчика, на тактовый вход которого подается основной сигнал синхронизации с частотой 50 МГц. В качестве источника основного внешнего (по отношению к ПЛИС) сигнала синхронизации используется кварцевый генератор с той же частотой, установленный на отладочной плате Xilinx Spartan-3E Starter Board. Формируемые импульсы длительностью 1 с определяют интервал измерения частоты.
Блок измерения частоты включает в себя два идентичных, поочередно переключаемых канала. Такое решение обеспечивает непрерывность измерительного процесса. В то время когда один канал работает в режиме измерения частоты, в другом канале производится считывание результатов измерения, полученных на предыдущем интервале. Каждый канал блока измерения частоты представляет собой 32-разрядный счетчик. Управление режимами работы этих счетчиков осуществляется с помощью сиг-
налов, вырабатываемых блоком коммутации измерительных каналов (рис. 2). Разрядность счетчиков выбрана в соответствии с верхней границей диапазона измерения частоты входного сигнала.
Устройство управления предназначено для выбора одного из четырех входов измерителя частоты цифровых сигналов и переключения режимов его работы. Основными элементами этого устройства являются четыре ползунковых переключателя, которые входят в состав инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board. Когда все переключатели находятся в выключенном состоянии или более одного переключателя установлено в положение «Включено», измеритель частоты функционирует в режиме ожидания. Выбор требуемого входа измерителя осуществляется установкой только одного (соответствующего) переключателя в положение «Включено». При этом автоматически включается режим измерения частоты сигнала, поступающего на выбранный вход.
Микропроцессорный блок измерителя частоты цифровых сигналов предназначен для выполнения следующих функций:
• декодирование сигналов, поступающих от устройства управления;
• вычисление значения частоты измеряемого сигнала;
• формирование совокупности информационных и управляющих сигналов, соответствующих интерфейсу жидкокристаллического дисплея, которые необходимы для
отображения текстовой информации и результатов измерения частоты;
• управление работой блока светодиодных индикаторов.
Функциональная схема микропроцессорного блока измерителя частоты цифровых сигналов показана на рис. 3. Основными элементами этой схемы являются:
• исполнительный модуль микропроцессорного ядра семейства PicoBlaze, предназначенного для реализации на базе ПЛИС серий Spartan-3, Spartan-3E, Virtex-II, Virtex-IIPRO и Virtex-4;
• память микропрограмм;
• входные и выходные порты ввода/вывода. Блок формирования сигнала прерывания
представляет собой схему задержки, выполненную на базе сдвиговых регистров SRL16E ПЛИС семейства Spartan-3E. На вход этой схемы задержки поступают импульсы длительностью 1 с.
Блок светодиодных индикаторов используется для визуального контроля текущего режима работы измерителя частоты цифровых сигналов. В его состав входят восемь индикаторов, установленных на плате инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board. В режиме измерений происходит периодическое переключение состояния светодиодных индикаторов.
Жидкокристаллический дисплей предназначен для отображения информации о входных сигналах рассматриваемого частотомера и значений частоты измеряемого сигнала.
В режиме ожидания ЖК-дисплей содержит меню выбора входов. При этом в верхней строке дисплея отображаются условные обозначения входных сигналов измерителя частоты, а в нижней — номера соответствующих переключателей устройства управления. В режиме измерения в верхней строке выводится значение частоты сигнала, поступающего с выбранного входа, а в нижней — условное обозначение этого входа.
Генератор тестового сигнала с частотой 145 МГц выполнен на основе цифрового модуля управления синхронизацией Digital Clock Manager (DCM) ПЛИС семейства Spartan-3E. Для реализации генератора тестового сигнала с частотой 118 МГц применяется кольцевая схема, которая будет представлена при рассмотрении VHDL-описания этого блока.
Для расширения возможностей рассматриваемого измерителя частоты цифровых сигналов в состав проекта можно включить модуль универсального асинхронного приемопередатчика UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), который входит в архив исходных файлов описания микропроцессорного ядра PicoBlaze KCPSM3.zip. Этот модуль можно использовать для передачи результатов измерений через последовательный порт (COM-порт) в персональный компьютер.
В последующих разделах рассматриваются описания основных функциональных блоков измерителя частоты цифровых сигналов на языке VHDL, которые реализуются на основе ресурсов ПЛИС семейства Spartan-3E.
VHDL-описание основных блоков аппаратной части измерителя частоты цифровых сигналов
Описание аппаратной части измерителя частоты цифровых сигналов, выполненное на языке VHDL, имеет иерархическую структуру. В исходном модуле верхнего уровня иерархии проекта описывается объект frequency_counter, который представляет все устройство в целом. В состав описания этого объекта в качестве компонентов входят объекты нижнего уровня иерархии dcm_fixed_osc и ring_osc, представляющие генераторы тестовых сигналов. В настоящем разделе рассматривается описание объекта frequency_count-er, структура которого соответствует типовому строению исходного модуля, выполненного с использованием языка VHDL [12-14]. Описания объектов dcm_fixed_osc и ring_osc приводятся в последующих разделах.
Первая часть VHDL-описания объекта frequency_counter содержит ссылки на используемые стандартные логические библиотеки и пакеты этих библиотек. Кроме того, в этой части есть ссылка на используемую библиотеку Unisim Library фирмы Xilinx и пакет vcomponents этой библиотеки, в которых определены примитивы, применяемые в качестве компонентов в описании объекта frequency_counter. Текст первой час-
ти УИБЬ-описания верхнего уровня иерархии проекта выглядит следующим образом:
-- Library declarations
-- Standard IEEE libraries library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
-- The Unisim Library is used to define Xilinx primitives. It is also used during
-- simulation. The source can be viewed at XILINX%\vhdl\src
\unisims\unisim_VCOMP.vhd
library unisim;
use unisim.vcomponents.all;
Во второй части объявляется объект frequency_counter, представляющий измеритель частоты цифровых сигналов, и описывается его внешний интерфейс. УИБЬ-код, содержащийся в этой части описания, имеет следующий вид:
entity frequency_counter is Port (
led : out std_logic_vector(7 downto 0); sw : in std_logic_vector(3 downto 0); strataflash_oe : out std_logic; strataflash_ce : out std_logic; strataflash_we : out std_logic; lcd_d : inout std_logic_vector(7 downto 4); lcd_rs : out std_logic; lcd_rw : out std_logic; lcd_e : out std_logic; sma_clk : in std_logic; clk_50mhz : in std_logic );
end frequency_counter;
В представленной конструкции применяется следующая система условных обозначений входных, выходных и двунаправленных портов объекта frequency_counter. Векторы led и sw представляют соответственно выходы, предназначенные для сопряжения с блоком светодиодных индикаторов, и входы, к которым подключаются ползунковые переключатели устройства управления. Идентификаторы strataflash_oe, strataflash_ce и strataflash_we описывают выходы сигналов управления интерфейса параллельной Flash-памяти серии StrataFlash® Memory фирмы Intel®, которая расположена на плате инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board. Идентификаторы clk_50mhz и sma_clk соответствуют входу внешнего тактового сигнала с частотой 50 МГц и входу измеряемого сигнала, сопряженному с высокочастотным разъемом типа SMA. Вектор lcd_d представляет двунаправленную шину данных интерфейса ЖК-дисплея, а идентификаторы lcd_rs, lcd_rw, lcd_e — сигналы управления этого интерфейса.
Третья часть VHDL-описания верхнего уровня иерархии проекта измерителя частоты содержит определение архитектуры объекта frequency_counter. В начале описания архитектурного тела представлены выражения декларации компонентов исполнительного модуля микропроцессорного ядра kcpsm3, программной памяти fc_ctrl и двух генерато-
ров тестовых сигналов (km_fixed_osc и ring_osc. Содержание блока декларации компонентов, которые используются в составе УИБЬ-опи-сания объекта frequency_counter, выглядит следующим образом:
-- Start of test architecture
architecture Behavioral of frequency_counter is
-- Декларация исполнительного модуля KCPSM3
omponent kcpsm3 Port (
address : out std_logic_vector(9 downto 0); instruction : in std_logic_vector(17 downto 0); port_id : out std_logic_vector(7 downto 0); write_strobe : out std_logic; out_port : out std_logic_vector(7 downto 0); read_strobe : out std_logic; in_port : in std_logic_vector(7 downto 0); interrupt : in std_logic; interrupt_ack : out std_logic; reset : in std_logic; clk : in std_logic );
end component;
-- Декларация модуля программной памяти
component fc_ctrl Port (
address : in std_logic_vector(9 downto 0); instruction : out std_logic_vector(17 downto 0); proc_reset : out std_logic; --JTAG Loader version
clk : in std_logic );
end component;
-- Декларация генератора тестового сигнала, реализуемого на основе цифрового
-- модуля управления синхронизацией Digital Clock Manager
(DCM)
component dcm_fixed_osc port(
clk_out : out std_logic; kick_start : in std_logic );
end component;
-- Декларация генератора тестового сигнала, построенного по кольцевой схеме
component ring_osc port(
osc_out : out std_logic; reset : in std_logic );
end component;
Следующий блок УИБЬ-кода содержит выражения декларации внутренних сигналов, которые используются в описании архитектуры измерителя частоты. В начале этого блока приведены объявления сигналов, которые относятся к селектору входов рассматриваемого измерителя частоты. Далее следует совокупность выражений, которые предназначены для декларации сигналов, управляющих процессом измерения частоты. Затем осуществляется декларация сигналов, используемых в схеме формирования импульсов длительностью 1 с. После этого приведена группа выражений, которые содержат объявления сигналов, используемых для сопряжения исполнительного модуля микропроцессорного ядра РкоВ1аге с программной памятью и портами ввода/вывода. Заключительную часть блока декларации внутренних сигналов образует последовательность выражений, содержащих объявления сигналов, которые
описывают интерфейс управления ЖК-дисплея. Текст блока декларации внутренних сигналов в описании измерителя частоты выглядит следующим образом:
Вслед за блоком декларации внутренних сигналов, после ключевого слова begin, начинается собственно определение архитектуры рассматриваемого измерителя частоты цифровых сигналов. В самом начале этого описания представлена группа операторов, которые определяют состояния управляющих сигналов интерфейса параллельной Flash-памяти серии StrataFlash Memory фирмы Intel, установленной на плате инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board. Данная Flash-память, не задействованная в измерителе частоты цифровых сигналов, и ЖК-дисплей, входящий в состав рассматриваемого устройства, используют общие проводники шины данных для сопряжения с ПЛИС XC3S500E. Во избежание конфликтов сигналов, поступающих на эти общие линии шины данных от различных источников, информационные входы/выходы микросхемы Flash-памяти, не используемой в данном проекте, переводятся в состояние «Выключено». Для этого на управляющие входы указанной микросхемы подаются соответствующие значения сигналов, которые переключают вхо-
ды/выходы данных Flash-памяти в «третье» состояние (состояние высокого импеданса):
-- Start of circuit description begin
-- Блокировка входов и выходов неиспользуемых компонентов
-- Отключение информационных входов/выходов Flash-памяти
strataflash_oe <= '1'; strataflash_ce <= '1'; strataflash_we <= '1';
Далее следует совокупность выражений, описывающих структуру входного узла измерителя частоты цифровых сигналов. В эту совокупность входят операторы, используемые для создания экземпляров компонентов генераторов тестового сигнала различного типа dcm_fixed_osc и ring_osc, а также глобального буферного элемента BUFG. Описание селектора входов выполнено с помощью параллельного оператора условного присваивания значения сигнала:
-- Описание структуры входного узла измерителя частоты цифровых сигналов
-- Создание экземпляра генератора тестового сигнала, реализуемого на основе
-- цифрового модуля управления синхронизацией DCM
dcm_fixed_oscillator: dcm_fixed_osc port map (
clk_out => dcm_oscillator,
kick_start => source_control(7)
);
-- Создание экземпляра генератора тестового сигнала,
-- выполненного по кольцевой схеме
logic_osdllator: ring_osc port map (
osc_out => ring_osdillator,
reset => source_dontrol(6)
);
-- Описание селектора входов
freq_for_measuremmt <= sma_dk when (source_control(1 downto 0)=»00») else dlk_50mhz when (source_dontrol(1 downto 0)=»01») else dcm_oscillator when (source_control(1 downto 0)=»10») else ring_oscillator;
-- Создание экземпляра глобального входного буферного элемента
buffer_dlkin: BUFG port map(
0 => test_dlk,
1 => freq_for_measurement
);
После выражений, определяющих структуру входного узла рассматриваемого устройства, представлена группа операторов, образующих поведенческое описание измерительного узла. В состав этого блока VHDL-кода входят три оператора процесса. С помощью процесса counter_switch_control описываются состояния управляющих сигналов, используемых для организации измерения частоты входных сигналов. Процессы test_counter_a и test_counter_bпредставляют собой поведенческое описание двух 32-разрядных счетчиков, используемых в соответствующих каналах измерительного узла:
Поведенческое описание измерительного узла
counter_switch_control: process(test_clk) begin
if test_clk'event and test_clk=T then
-- Four stage register to ensure synchronisation of control between clock domains
ab_switch_delay <= ab_switch_delay(2 downto 0) & ab_switch;
-- Separate enables form switch between counters when control is consistently high or low.
case ab_switch_delay(3 downto 1) is when «000» => a_count_ce <= '1';
b_count_ce <= '0'; when «111» => a_count_ce <= '0';
b_count_ce <= '1'; when others => a_count_ce <= a_count_ce;
b_count_ce <= b_count_ce;
end case; end if;
end process counter_switch_control;
-- 32-bit counters
test_counter_a: process(test_clk, a_count_rst ) begin
if a_count_rst='1' then
a_count <= X»00000000»; elsif test_clk'event and test_clk='1' then f a_count_ce='1' then a_count <= a_count + 1;
else
a_count <= a_count; end if; end if;
end process test_counter_a;
test_counter_b: process(test_clk, b_count_rst ) begin
if b_count_rst='1' then
b_count <= X»00000000»; elsif test_clk'event and test_clk='1' then if b_count_ce='1' then
b_count <= b_count + 1;
else
b_count <= b_count; end if; end if;
end process test_counter_b;
В следующем блоке УИБЬ-кода измерителя частоты цифровых сигналов представлено описание схемы, формирующей импульсы длительностью 1 с. В этот же блок входят операторы, определяющие состояние сигналов управления прерываниями:
Описание схемы, формирующей импульсы длительностью 1 с и сигналы прерывания
one_second_logic: process(clk_50mhz) begin
if clk_50mhz'event and dk_50mhz=T then if one_second_count=49999999 then --divide by 50,000,000 is Is one_second_count <= 0; one_second_pulse <= '1';
else
one_second_count <= one_second_count + 1; one_second_pulse <= '0'; end if;
-- delay of 100 clock cycles before generating interrupt interrupt_delay <= interrupt_delay(98 downto 0) & one_sec-ond_pulse;
-- processor interrupt waits for an acknowledgement if interrupt_ack='1' then interrupt <= '0'; elsif interrupt_delay(99) ='1' then interrupt <= '1';
else
interrupt <= interrupt; end if;
-- counter selection switch toggles each second if one_second_pulse='1' then ab_switch <= not ab_switch; end if; end if;
end process one_second_logic;
- Сигналы селектора входов измерителя частоты
signal source_control : std_logic_
signal dcm_oscillator : std_logic;
signal ring_oscillator : std_logic;
signal freq_for_measurement : std_logic;
signal test_clk : std_logic;
- Сигналы управления процессом измерения частоты
signal ab_switch_delay signal a_count_ce signal a_count_rst signal a_count signal b_count_ce signal b_count_rst signal b_count
d_logic_vector (3 downto 0);
d_logic;
d_logic;
d_logic_vector (31 downto 0);
d_logic;
d_logic;
d_logic_vector (31 downto 0);
-- Сигналы, используемые в схеме формирования импульсов длительностью 1 с
signal one_second_count signal one_second_pulse signal ab_switch signal interrupt_delay
integer range 0 to 49999999 :=0;
std_logic;
std_logic;
std_logic_vector (99 downto 0);
- Сигналы сопряжения исполнительного модуля KCPSM3
- с программной памятью и портами ввода/вывода
signal address std_logic_vector(9 downto 0);
signal instruction std_logic_vector(17 downto 0);
signal port_id std_logic_vector(7 downto 0);
signal out_port std_logic_vector(7 downto 0);
signal in_port std_logic_vector(7 downto 0);
signal write_strobe : std_logic;
signal read_strobe : std_logic;
signal interrupt : std_logic;
signal interrupt_ack : std_logic;
signal reset : std_logic;
-- Сигналы интерфейса управления ЖК-дисплеем -- Tri-state output requires internal signals
-- 'lcd_drive' is used to differentiate between LCD and StrataFLASH
communications
-- which share the same data bits.
signal lcd_rw_control signal lcd_output_data signal lcd_drive
std_logic;
std_logic_vector(7 downto 4); std_logic;
Далее следуют операторы, с помощью которых создаются экземпляры компонентов исполнительного модуля микропроцессорного ядра kcpsm3 и программной памяти ^_сГ
-- Создание экземпляров исполнительного модуля КСРБМЗ и программной памяти
processor: kcpsm3 port map(
address => address, instruction => instruction, port_id => port_id, write_strobe => write_strobe, out_port => out_port, read_strobe => read_strobe, in_port => in_port, interrupt => interrupt, interrupt_ack => interrupt_ack, reset => reset, clk => clk_50mhz );
program_rom: fc_ctrl port map(
address => address, instruction => instruction, proc_reset => reset, --JTAG Loader version clk => clk_50mhz );
--reset <= '0'; --When using normal version
Для описания состояния входных и выходных портов микропроцессорного блока используется следующая последовательность операторов:
-- Входные порты микропроцессорного блока
-- The inputs are connected via a pipelined multiplexer
input_ports: process(clk_50mhz) begin
if clk_50mhz'event and clk_50mhz='1' then case port_id(7 downto 4) is
-- read A-counter for addresses 00, 10, 20 and 30 hex when «0000» => in_port <= a_count(7 downto 0); when «0001» => in_port <= a_count(15 downto S); when «0010» => in_port <= a_count(23 downto 16); when «0011» => in_port <= a_count(31 downto 24);
-- read B-counter for addresses 40, 50, 60 and 70 hex when «0100» => in_port <= b_count(7 downto 0); when «0101» => in_port <= b_count(15 downto S); when «0110» => in_port <= b_count(23 downto 16); when «0111» => in_port <= b_count(31 downto 24);
-- read slide switches and counter circuit status at address S0 hex when «1000» => in_port <= «000» & ab_switch & sw;
-- read LCD data at address 90 hex
when «1001» => in_port <= lcd_d & «0000»;
-- Don't care used to ensure minimum logic when others => in_port <= «XXXXXXXX»; end case; end if; end process input_ports;
-- Выходные порты микропроцессорного блока
output_ports: prodess(dlk_50mhz) begin
if dk_50mhz'event and dk_50mhz='1' then if write_strobe='1' then
-- LED register at address 01 hex if port_id(0)='1' then led <= out_port; end if;
-- Counter reset controls at address 02 hex if port_id(1)='1' then
a_count_rst <= out_port(0); b_count_rst <= out_port(1); end if;
-- LCD data output and controls at address 04 hex. if port_id(2)='1' then
lcd_output_data <= out_port(7 downto 4); lcd_drive <= out_port(3); lcd_rs <= out_port(2); lcd_rw_control <= out_port(1); lcd_e <= out_port(0); end if;
-- Source selection and control at address 08 hex. if port_id(3)='1' then
source_control <= out_port; end if; end if; end if;
end process output_ports;
Завершают описание архитектуры рассматриваемого измерителя частоты цифровых сигналов следующие операторы, определяющие значения сигналов интерфейса управления ЖК-дисплеем:
VHDL-описание генератора тестового сигнала с частотой 145 МГц, используемого в составе измерителя частоты цифровых сигналов
В составе VHDL-описания генератора тестового сигнала с частотой 145 МГц применяется компонент DCM_SPAR3_TEST, который представляет соответствующий вариант конфигурации цифрового модуля управления синхронизацией DCM в ПЛИС семейства Spartan-3E. Чтобы выполнить синтез, размещение и трассировку проекта, содержащего данный компонент, необходимо перед запуском средств проектирования серии Xilinx® ISE™ (Integrated Synthesis Environment/Integrated Software Environment) создать переменную окружения XIL_TEST_ARCS и присвоить ей единичное значение. Для этого в меню, которое открывается нажатием кнопки Пуск (Start) операционной системы Windows™, нужно выделить пункт Мой компьютер (My computer), после чего щелкнуть на нем правой кнопкой мыши. Затем в появившемся на экране контекстно-зависимом всплывающем меню нужно выбрать команду Свойства (Properties). В результате выполнения этой команды на экран выводится диалоговая панель с заголовком Свойства системы (System Properties). В этой диалоговой панели следует открыть страницу Дополнительно (Advanced), вид которой представлен на рис. 4.
Далее на указанной странице нужно нажать кнопку Переменные среды (Environment variables),
после чего открывается одноименная диалоговая панель, показанная на рис. 5. Эта диалоговая панель предоставляет пользователю возможность создания, редактирования и удаления переменных окружения.
Qepene»**ie среды пользователя для Адимтстратор
Переменная Значене
PATH С :\Mode*ech jc«_$t4rt«r\Mrí32xo*m
IMP C:\Docunents and Settngs\AA****«Tp...
[ ¿оццть I [ И>ие>чть~1 [ Удалить ]
Переменная Эначе»*«е
LMC.HOME d\»lm\$»nartmo<íeí\nt\r»trfed_rt
WJMKB CfJ> t
OS Wnóowi NT
Path %XÜ№W_EDT%\bri\rt;C:\WlNDOWS\t..
РАПСХТ .COM; .EXE; .BAT; .CMD; .V6S;. VBE;. J5;...
[ CflWT> І І Пушить I [ Удалить ]
I OK ~1 [ Отнена ~]
Рис. 5. Вид диалоговой панели Переменные среды (Environment variables), открывающей доступ к переменным окружения операционной системы Windows
Для создания новой переменной окружения следует во встроенной панели Системные переменные (System variables) (рис. 5) нажать кнопку Создать (New). При этом на экране появится диалоговая панель с заголовком Новая системная переменная (New system variable), вид которой изображен на рис. 6.
В соответствующих полях редактирования этой диалоговой панели необходимо указать идентификатор создаваемой переменной и ее значение. Затем нажатием кнопки ОК в диалоговой панели Новая системная переменная (New system variable) следует подтвердить ука-
- Интерфейс управления жидкокристаллическим дисплеем
- The 4-bit data port is bidirectional.
- lcd_rw is '1' for read and '0' for write
- lcd_drive is like a master enable signal which prevents either the
- FPGA outputs or the LCD display driving the data lines.
Рис. 4. Вид страницы
Дополнительно (Advanced) диалоговой панели Свойства системы (System Properties)
--Control of read and write signal lcd_rw <= lcd_rw_control and lcd_drive;
--use read/write control to enable output buffers.
lcd_d <= lcd_output_data when (lcd_rw_control='0' and lcd_drive=T)
else «ZZZZ»;
end Behavioral;
Рис. 6. Вид диалоговой панели Новая системная переменная (New system variable), предназначенной для создания новой переменной окружения операционной системы Windows
занные параметры создаваемой переменной. После этого идентификатор новой переменной и ее значение будут отражены в таблице, представленной во встроенной панели Системные переменные (System variables) (рис. 5). Процесс создания новой переменной завершается нажатием кнопки ОК, которая расположена в нижней части диалоговой панели Переменные среды (Environment variables).
VHDL-описание генератора тестового сигнала, выполненного на основе цифрового модуля управления синхронизацией DCM, имеет следующий вид:
-- Library declarations library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
-- Main Entity for dcm_fixed_osc
entity dcm_fixed_osc is port(
clk_out : out std_logic; kick_start : in std_logic
);
end dcm_fixed_osc;
-- Start of Main Architecture for dcm_fixed_osc architecture low_level_definition of dcm_fixed_osc is -- Definition of the special DCM test primitive
component DCM_SPAR3_TEST generic
(CLKIN_PERIOD : real := 20.0); -- Avoids a MAP warning but actual value not so important. port(
CLKIN : in std_ulogic;
CTLMODE : in std_ulogic;
CLKFX : out std_ulogic
end component;
-- Circuit description
begin
fixed_osc_dcm: DCM_SPAR3_TEST port map (
CLKIN => kick_start, CTLMODE => '1', CLKFX => clk_out );
end low_level_definition;
ного описания верхнего уровня иерархии проекта измерителя частоты. Далее следует объявление объекта dcm_fixed_osc, который представляет рассматриваемый генератор. В состав интерфейса этого объекта входят два порта: входной и выходной. Для обозначения входа сигнала запуска используется идентификатор kick_start. Выход сигнала, формируемого рассматриваемым тестовым генератором, описывается в виде выходного порта clk_out. В блоке описания архитектуры объекта dcm_fixed_osc выполняется декларация компонента DCM_SPAR3_TEST и создается экземпляр этого компонента, который образует основу рассмотренного генератора.
При выполнении процессов синтеза, размещения и трассировки в кристалле проекта, содержащего компонент DCM_SPAR3_ TEST, в САПР серии Xilinx ISE появляется несколько предупреждений, на которые, впрочем, не следует обращать внимание.
VHDL-описание генератора тестового сигнала с частотой 118 МГц, используемого в составе измерителя частоты цифровых сигналов
Функциональная схема генератора тестового сигнала с частотой 118 МГц показана на рис. 7. Для реализации этого генератора используются таблицы преобразования LUT, формирующие необходимую задержку и инвертирование сигнала. Кроме того, в состав схемы входит D-триггер, который применяется в качестве делителя частоты на два.
Описание кольцевого генератора тестового сигнала на языке VHDL выполнено в соответствии с функциональной схемой, представленной на рис. 5. Текст этого описания выглядит следующим образом:
-- Library declarations
-- The Unisim Library is used to define Xilinx primitives. It is also used during
-- simulation. The source can be viewed at XILINX%\vhdl\src\ unisims\unisim_VCOMP.vhd
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; library unisim; use unisim.vcomponents.all;
-- Main Entity for ring_osc entity ring_osc is
port(
osc_out : out std_logic; reset : in std_logic );
end ring_osc;
-- Start of Main Architecture for ring_osc architecture low_level_definition of ring_osc is
Signals used in RING _OSC
ignal ring_delay1 : std_logic;
gnal ring_delay2 std_logic;
gnal ring_delay3 std_logic;
gnal ring_delay4 std_logic;
ignal ring_invert : std_logic;
ignal toggle : std_logic;
ignal clk_div2 : std_logic;
Attributes to stop delay logic from being optimised.
attribute KEEP : string;
attribute KEEP of ring_delay1 : signal is «true»; attribute KEEP of ring_delay2 : signal is «true»; attribute KEEP of ring_delay3 : signal is «true»; attribute KEEP of ring_delay4 : signal is «true»;
-- Attributes to define LUT contents during implementation for primitives not
-- contained within generate loops. In each case the information is repeated -- in the generic map for functional simulation
attribute INIT : string; attribute INIT of div2_lut attribute INIT of delay1_lut attribute INIT of delay2_lut attribute INIT of delay3_lut attribute INIT of delay4_lut attribute INIT of invert_lut
: label is 1»;
: label is 4»;
: label is 4»;
: label is 4»;
label is 4»;
: label is B»;
-- Circuit description
begin
--Output is the ring oscillator divided by 2 to provide a square wave.
osc_out <= clk_div2;
toggle_flop: FD port map (
D => toggle,
Q => clk_div2,
C => ring_invert
div2_lut: LUT2 --synthesis translate_off
generic map (INIT => X»1») --synthesis translate_on port map(
10 => reset,
11 => clk_div2,
O => toggle
--Ring oscillator is formed of 5 levels of logic of which one is an inverter.
delay1_lut: LUT2 --synthesis translate_off
generic map (INIT => X»4»)
--synthesis translate_on port map(
10 => reset,
11 => ring_invert,
O => ring_delay1
Приведенное описание соответствует типовой структуре модуля исходного описания проекта на языке УИЭЬ. В его начале представлены ссылки на те же библиотеки и пакеты, что и в рассмотренном модуле исход-
Вход
сброса
reset
LUT
LUT
LUT
LUT
LUT
y
Выход
ose out
Делитель частоты на 2
Элементы задержки
Инвертор
Рис. 7. Функциональная схема кольцевого генератора тестового сигнала с частотой 118 МГц
delay2_lut: LUT2 --synthesis translate_off generic map (INIT => X»4»)
--synthesis translate_on port map(
10 => reset,
11 => ring_delay1,
O => ring_delay2 );
delay3_lut: LUT2 --synthesis translate_off generic map (INIT => X»4»)
--synthesis translate_on port map(
10 => reset,
11 => ring_delay2,
O => ring_delay3 );
delay4_lut: LUT2 --synthesis translate_off generic map (INIT => X»4»)
--synthesis translate_on port map(
10 => reset,
11 => ring_delay3,
O => ring_delay4 );
invert_lut: LUT2 --synthesis translate_off
generic map (INIT => X»B»)
--synthesis translate_on port map(
10 => reset,
11 => ring_delay4,
O => ring_invert );
end low_level_definition;
В приведенном описании после ссылок на используемые стандартные логические библиотеки и библиотеку Unisim фирмы Xilinx объявляется объект ring_osc, который представляет рассматриваемый кольцевой генератор тестового сигнала. Интерфейс этого объекта включает входной порт сигнала сброса reset и выходной порт сигнала, формируемого генератором, osc_out. В начале блока описания архитектуры объекта ring_osc приведены выражения декларации внутренних сигналов, которые используются для сопряжения компонентов генератора. После этого следуют выражения, устанавливающие значения необходимых атрибутов. Определение архитектуры рассматриваемого генератора выполнено в виде структурного описания, компонентами которого являются элементы, соответствующие функциональной схеме (рис. 7). Это описание включает в себя операторы создания шести экземпляров компонентов таблиц преобразования и одного экземпляра D-триггера.
Временные и топологические ограничения проекта измерителя частоты цифровых сигналов
Временные ограничения в проекте измерителя частоты цифровых сигналов заданы для цепей основного тактового сигнала и входной цепи измерительного блока. Для цепи основного сигнала синхронизации clk_50mhz временные ограничения устанавливают максимальное значение периода этого сигнала, соответствующее частоте 50 МГц. Ограничения, накладываемые на время рас-
пространения сигналов по входной цепи измерительного блока test_clk, соответствуют максимальному значению частоты этих сигналов, равному 200 МГц. Выражения, определяющие временные ограничения для проекта измерителя частоты цифровых сигналов, выглядят следующим образом:
# Period constraint for 50MHz operation
#
NET «clk_50mhz» PERIOD = 20.0ns HIGH 50%;
#
# Period constraint for up to 200MHz operation
#
NET «test_clk» PERIOD = 5.0ns HIGH 50%;
Топологические ограничения рассматриваемого проекта измерителя частоты цифровых сигналов устанавливают соответствие интерфейсных портов (цепей) объекта frequency_counter и номеров выводов ПЛИС с учетом архитектуры инструментального модуля Xilinx Spartan-3E Starter Board версии C. Кроме того, в выражениях топологических ограничений указываются дополнительные параметры интерфейсных портов этого объекта, в частности стандарты ввода/вывода, в соответствии с которыми они должны быть сконфигурированы. Совокупность выражений, определяющих топологические ограничения для проекта измерителя частоты цифровых сигналов, имеет следующий вид:
# soldered 50MHz Clock.
#
NET «clk_50mhz» LOC = «C9» I IOSTANDARD = LVTTL;
#
# SMA socket.
#
NET «sma_clk» LOC = «A10» I IOSTANDARD = LVTTL;
#
# Simple LEDs
# Require only 3.5mA.
#
NET «led<0>» LOC = «F12» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
NET «led<1>» LOC = «E12» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
NET «led<2>» LOC = «E11» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
NET «led<3>» LOC = «F11» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
NET «led<4>» LOC = «C11» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
NET «led<5>» LOC = «D11» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
NET «led<6>» LOC = «E9» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
NET «led<7>» LOC = «F9» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 4;
#
# LCD display
# Very slow so can use lowest drive strength.
#
NET «lcd_rs» LOC = «L18» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «lcd_rw» LOC = «L17» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «lcd_e» LOC = «M18» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «lcd_d<4>» LOC = «R15» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «lcd_d<5>» LOC = «R16» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «lcd_d<6>» LOC = «P17» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «lcd_d<7>» LOC = «M15» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
#
# Strata Flash (need to disable to use LCD display)
#
NET «strataflash_oe» LOC = «C18» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «strataflash_ce» LOC = «D16» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
NET «strataflash_we» LOC = «D17» I IOSTANDARD = LVTTL I SLEW = SLOW I DRIVE = 2;
#
# Simple switches
# Pull UP resistors used to stop floating condition during switching.
#
NET «sw<0>» LOC = «L13» I IOSTANDARD = LVTTL I PULLUP; NET «sw<1>» LOC = «L14» I IOSTANDARD = LVTTL I PULLUP NET «sw<2>» LOC = «H18» I IOSTANDARD = LVTTL I PULLUP NET «sw<3>» LOC = «N17» I IOSTANDARD = LVTTL I PULLUP
В начале приведенной последовательности топологических ограничений представлены выражения, осуществляющие привязку цепей внешнего тактового сигнала и входного измеряемого сигнала к выводам ПЛИС, которые подключены на плате инструментального модуля к выходу кварцевого генератора и высокочастотному разъему типа SMA соответственно. Далее следуют выражения, определяющие номера выводов кристалла, сопряженных со светодиодными индикаторами, для выходных цепей сигналов индикации выполнения измерений. В следующем фрагменте сосредоточены ограничения, выполняющие привязку к выводам ПЛИС интерфейсных портов, предназначенных для подключения ЖК-дисплея. Затем приведены выражения, определяющие номера контактов кристалла, на которые должны быть выведены цепи сигналов управления для неиспользуемого модуля Flash-памяти. В заключительной части представлены выражения ограничений для портов управляющих сигналов, в которых указаны выводы кристалла, сопряженные с блоком ползунковых переключателей. ■
Окончание следует Литература
1. Зотов В. Цифровой генератор сигнала с перестраиваемой частотой, реализуемый на базе инструментального комплекта Spartan-3E Starter Kit фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2006. № 11-12.
2. Зотов В. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx. М.: Горячая линия — Телеком, 2006.
3. Зотов В. PicoBlaze — семейство восьмиразрядных микропроцессорных ядер, реализуемых на основе ПЛИС фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2003. № 4.
4. Зотов В. Система команд микропроцессорного ядра PicoBlaze, реализуемого на основе ПЛИС семейств Spartan-II, Spartan-IIE, Virtex, Virtex-E // Компоненты и технологии. 2003. № 5.
5. Зотов В. Особенности микропроцессорного ядра PicoBlaze, предназначенного для применения в проектах, реализуемых на основе ПЛИС семейства Virtex-II // Компоненты и технологии.
2003. № 6.
6. Зотов В. Особенности микропроцессорного ядра PicoBlaze, предназначенного для применения в проектах, реализуемых на основе ПЛИС семейства CoolRunner-II // Компоненты и технологии. 2003. № 7.
7. Зотов В. Особенности микропроцессорного ядра РкоВ1аге, предназначенного для применения в проектах, реализуемых на основе ПЛИС семейств БраПап-З, У1пех-П и У1Пех-ПРЮ // Компоненты и технологии. 2005. № 5-6.
8. Зотов В. МкгоВ1аге — семейство тридцатидвухразрядных микропроцессорных ядер, реализуемых на основе ПЛИС фирмы ХШпх // Компоненты и технологии. 2003. № 9.
9. Зотов В. Система команд микропроцессорного ядра MicroBlaze // Компоненты и технологии.
2004. № 1-3.
10. Зотов В. Организация памяти микропроцессорного ядра MicroBlaze // Компоненты и технологии. 2004. № 5.
11. Зотов В. Новый инструментальный комплект Spartan-3E Starter Kit для практического освоения методов проектирования встраиваемых
микропроцессорных систем на основе ПЛИС семейств FPGA фирмы Хіііпх // Компоненты и технологии. 2006. № 10.
12. Бибило П. Н. Основы языка УЛОЬ. М.: Солон-Р, 2000.
13. Бибило П. Н. Синтез логических схем с использованием языка УЛБЬ. М.: Солон-Р, 2002.
14. Уэйкерли Дж. Ф. Проектирование цифровых устройств. Т. 1. М.: Постмаркет, 2002.
