CC BY
13
КУЧЕРЕНКО А.А., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) ОВОДЕНКО А.В., к.т.н., доцент (Донецкий национальный технический университет)
Практические аспекты организации цикла лабораторных работ на основе инструментального модуля фирмы Xilinx Spartan-3A Starter Kit
Kucherenko A.A., Associate Professor (DRTI), Ovodenko A.V., Associate Professor (DNTU)
Practical aspects of the organization of the cycle of laboratory work on the basis of the Xilinx Spartan-3A Starter Kit instrumental module
Введение
Быстрый рост сложности современных электронных схем требует применения интегральных микросхем с высокой степенью интеграции. ПЛИС, помимо решения этой задачи, дополнительно обеспечивает
максимальную гибкость при
модификации аппаратуры и позволяет сократить процесс проектирования и отладки цифровых устройств. Большую часть рынка ПЛИС занимает фирма Xilinx, которая непрерывно
совершенствует архитектуру и технологию ПЛИС, увеличивает их функциональную сложность и возможности.
Проектирование цифровых
устройств на основе ПЛИС имеет свои особенности. Для разработки цифровых устройств используются специально созданные САПР, в которых для ввода схем могут использоваться языки описания аппаратуры или
универсальные схемные редакторы. С целью упрощения процесса изучения и практического освоения этапов проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС FPGA фирма Xilinx выпустила специальный
инструментальный модуль Spartan-3A Starter Kit.
Данная статья посвящена вопросам практического освоения этого
инструментального организации на его процесса в ДОНИЖТ.
модуля для основе учебного
Анализ проблемы
Инструментальный модуль
Spartan-3A Starter Kit обладает расширенными функциональными
возможностями, что определяет различные области его применения [1]. Но основным назначением
инструментального модуля, как и всех предыдущих подобных стартовых комплектов фирмы Xilinx, является практическое изучение методов проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС FPGA, выпускаемых Xilinx.
Инструментальный модуль
Spartan-3A Starter Kit эффективен в качестве инструмента аппаратной отладки проектируемых цифровых устройств, так как его ядром является ПЛИС XC3S700A с высоким быстродействием, большим объёмом логических и трассировочных ресурсов. Время проектирования цифрового устройства или системы существенно уменьшается за счёт исключения этапов проектирования их интерфейса (используются ресурсы кристалла ПЛИС) и применения САПР фирмы Xilinx серии ISE Design Suite 14.7.
Для изучения и практического освоения студентами различных этапов проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС FPGA необходимо разработать цикл лабораторных работ. Подобные лабораторные практикумы можно разделить на две группы: первая группа посвящена изучению языков описания цифровых устройств и их моделированию [2, 3], а вторая -изучению особенностей
программирования и прошивки ПЛИС для реализации заданных цифровых устройств [4].
Лабораторные практикумы второй группы отражают особенности используемого в работах
инструментального модуля и разделы изучаемой дисциплины. Но есть ряд общих проблем, которые необходимо решить не зависимо от изучаемой дисциплины: выбор режима работы инструментального модуля,
организация выводов ПЛИС и тактирование изучаемых цифровых устройств.
Цель работы
Целью настоящей статьи является выбор режима работы
инструментального модуля Spartan-3A Starter Kit, выработка практических рекомендаций по формированию выводов ПЛИС и тактовых импульсов для изучаемых цифровых устройств.
Основной материал
Основные сведения по
техническим характеристикам и архитектуре инструментального модуля Spartan-3A Starter Kit изложены в руководстве пользователя [5 - для версии REV C]. Используя данные 15-ти разделов этого руководства,
разработаем практические
рекомендации для лабораторных работ
по изучению процесса проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС FPGA фирмы Xilinx.
Режим работы инструментального модуля
Управление конфигурированием ПЛИС инструментального модуля производится путём установки трёх перемычек J26 (М0, М1, М2), которые определяют тип ППЗУ для хранения конфигурационной последовательности ПЛИС. Установка перемычки подключает логический ноль на данный вход выбора. Для выполнения лабораторных работ необходимо выбрать режим «Master Serial» (перемычки М0, М1, М2 установлены). В этом режиме происходит автоматическая загрузка ПЛИС из конфигурационного ППЗУ Platform Flash, установленного на плате инструментального модуля. По окончании загрузки конфигурации в ПЛИС это ППЗУ будет недоступно.
Подключение к выводам ПЛИС
Инструментальный модуль
Spartan-3A Starter Kit обеспечивает разнообразные соединения как внутри, так и вне модуля, что расширяет его интерфейсную гибкость. Среди всех этих соединителей нас интересуют те из них, которые имеют контакты, непосредственно подключенные к выводам ПЛИС FPGA класса Spartan-3A XC3S700A:
- 100 - контактный торцевой разъём фирмы Hirose с 43 ассоциированными с FPGA выводами пользователя (в документации пользователя он обозначен как разъём J17 Hirose FX2 - 100P - 1.27DS);
- два 6-ти штырьковых разъёма -розетка (в документации пользователя они обозначены как разъёмы J20 и J18 UG330);
- шесть отверстий под внешние На рис. 1 показаны соединения
штыри (в документации пользователя 100-контактного разъёма Л7 с FPGA
они обозначены как Л9). инструментального модуля.
Шгоэе 100-р1п Ехрап51оп ЭраНап-ЗА РРйА Соппес1ог (Л7)
Табл. 1 РХ2 Ю<40:1> Табл. 1
(М22) (122) (1-21) РХ2 СШЫ (В.46) (А.47) (В.48)
РХ2 СЬКОиТ
РХ2 СШО
\/ССО_012 (З.ЗУ) —-5.0У —► □N0 —-
Рис. 1. Соединения ПЛИС FPGA и разъёма Л7
В таблице 1 дана разводка резервируются для применения в
выводов ПЛИС FPGA в торцевом специальных модулях, реализующих
разъёме Л7. Три тактовых сигнала различные дополнительные функции.
Таблица 1.
Разводка выводов ПЛИС FPGA в разъёме Л7_
Вывод FPGA Контакт разъёма Л7 Питание модуля
1 2 3
A13 A6 -
B13 A7 -
A14 A8 -
B15 A9 -
A15 A10 -
A16 A11 -
A17 A12 -
B17 A13 -
A18 A14 -
^8 A15 -
A19 A16 -
1 2 3
B19 A17 -
A20 A18 -
B20 A19 -
^9 A20 -
D19 A21 -
D18 A22 -
E17 A23 -
D20 A24 -
D21 A25 -
D22 A26 -
E22 A27 -
F18 A28 -
F19 A29 -
F20 A30 -
E20 A31 -
G20 A32 -
G19 A33 -
H19 A34 -
Л8 A35 -
K18 A36 -
K17 A37 -
K19 A38 -
Х20 A39 -
L19 A40 -
L18 A41 -
M20 A42 -
M18 A43 -
L20 A44 -
P20 A45 -
GND A46, A48, B2, B5-B45, B47 -
- A49, A50, B49 +5 B
На рис. 2 показаны соединения 6-ти контактных разъёмов Л8, J20, Л9 с выводами FPGA инструментального модуля.
При разработке простых цифровых устройств достаточно и 12-ти выводов ПЛИС FPGA
инструментального модуля,
соединённых с разъёмами - розетками Л8, J20 и Л9. Контрольные точки для вывода сигналов на экран осциллографа формируем с помощью штырей, вставляемых в эти разъёмы. При
проектировании сложных цифровых устройств и систем потребуется большее число выводов ПЛИС FPGA инструментального модуля, поэтому необходимо использовать контакты разъёма Л7. Доступ к контактам разъёма Л7 затруднён из-за его конструкции. Рекомендуем изготовить простую плату для формирования 40 контрольных точек. Эта плата упростит процесс тестирования разработанного цифрового устройства.
Spartan-3A FPGA
J 20
(V14) (V15) чJ20 101г □ п
J20 Ю2
(W16) J20 ЮЗ □
(V16) ,J20 104t □
GND—- m
3.3V—- □
б
в
Рис. 2. Соединения ПЛИС FPGA и разъёмов Л8 (а), J20 (б), Л9 (в)
Переключатели и кнопки
Инструментальный модуль имеет четыре ползунковых переключателя
SW0 - SW3, средние выводы которых соединены с выводами ПЛИС FPGA (Таб. 2).
Таблица 2.
Соединения ползунковых переключателей с ПЛИС FPGA
Переключатель SW0 SW1 SW2 SW3
Вывод FPGA T9 U9 U10 V8
Вывод ползункового
переключателя необходимо
сформировать в соответствии с рис. 3.
«1» HIGH
LOW
«0»
3,3 В
3,3 В
г
V8
PULLUP
RUP
■> Выход
SW0
GND
Рис. 3. Формирование выходного сигнала ползункового переключателя
а
Включение на выходе
переключателя подтягивающего
резистора Rup (PULLUP) фиксирует выходной потенциал на уровне +3,3 В при его переключении вверх «HIGH» (логическая 1) или вниз «LOW» (логический 0). Длительность дребезга
контактов переключателей составляет 2 мС. Аппаратного устранения дребезга нет.
Инструментальный модуль имеет пять кнопок, расположенных вокруг поворотного переключателя
ROT_CENTER (рис. 4).
btn north
(т14) rot center: (r13)
btn south
(T15)
Рис. 4. Кнопки инструментального модуля и их соединения с ПЛИС
Кнопка коммутирует напряжение +3,3 В. Необходимо использовать внутренний понижающий резистор ПЛИС RDOWN (PULLDOWN) для формирования логического 0, когда кнопка не нажата (рис. 5).
Длительность дребезга контактов кнопки составляет 2 мС. Аппаратного устранения дребезга нет.
Индикация Инструментальный модуль имеет восемь светодиодов LED0 - LED7 выводы которых соединены с выводами ПЛИС FPGA (табица 3).
В составе инструментального модуля имеется жидкокристаллический дисплей, предназначенный для
отображения алфавитно-цифровой информации в разрабатываемом цифровом устройстве или системе. Данный дисплей позволяет отображать как стандартные символы таблицы ASCII, так и символы, формируемые разработчиком. Алфавитно-цифровая информация может выводиться в виде двух строк, каждая из которых содержит до 16 символов. В составе жидкокристаллического дисплея
используется встроенный контроллер Sitronix ST7066U, который полностью совместим с Samsung S6A0069X, Samsung KS0066U, Hitachi HD44780 и SMOS SED1278. Информация, которая выводится на дисплей, может
передаваться со стороны ПЛИС посредством 4-х разрядной или 8-ми
разрядной шины данных (рис. 6).
3,3 В
R13
-о а
ROT CENTER
GND
-► Выход
PULLDOWN
rdown
Рис. 5. Формирование выхода кнопки инструментального модуля
Таблица 3.
Соединения светодиодов с ПЛИС FPGA
Светодиод LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1 LED0
Вывод FPGA W21 Y22 V20 V19 U19 U20 T19 R20
Sper?er>3A FPGA
ЖКИ
(Y1S) (АВ16) (Y16) (АА12) (АВ12) (АВ17) (АВ13) (Y13) (АВ4) (Y14) (W13)
LCD DB<7>3900 -=-1—i-H
LCD_DB<6> LCD_DB<5 LCD_DB<4> LCD_DB<3> LCD_DB<2 LCD_QB<1> LCQ_DB<0> LCD_E LCD_RS -CD RW
Рис. 6. Интерфейс ЖКИ с ПЛИС инструментального модуля
Формирование тактовых импульсов
Блок синхронизации
инструментального модуля содержит три источника тактовых импульсов:
- кварцевый генератор с частотой 50 МГц CLK_50MHZ (Б12);
- панель для установки дополнительного кварцевого генератора в 8-ми контактном DIP-корпусе CLK_AUX (У12);
- высокочастотный разъем типа SMA CLK_SMA (Ш2), может использоваться для подключения внешнего сигнала синхронизации или вывода тактового сигнала, сформированного соответствующими внутренними схемами ПЛИС.
Тактовый сигнал CLK_50MHZ, который вырабатывает кварцевый генератор, установленный на плате инструментального модуля, поступает на один из шестнадцати специально выделенных контактов кристалла, сопряженных с глобальными буферными элементами, а именно на GCLK5 (вывод Е12 ПЛИС). Так как выход каждого глобального буфера связан с глобальной сетью тактовых
линий и цифровыми блоками управления синхронизацией (Digital Clock Manager, DCM) ПЛИС Spartan-3A, то такое решение оптимальным образом обеспечивает возможность применения модуля DCM для получения требуемой тактовой частоты реализуемого проекта.
Для выполнения лабораторных работ необходимо сформировать три вида тактовых импульсов:
- импульсная последовательность секундной длительности (для индикации состояния цифрового устройства на светодиодных индикаторах);
- импульс по нажатию кнопки (генератор одиночного импульса);
- импульсные последовательности частотой 5 и 10 кГц (для отображения входных и выходных сигналов цифрового устройства на осциллографе).
На рис. 7 показан формирователь импульсной последовательности 10-ти секундной длительности, выполненный в схемотехническом редакторе.
Рис. 7. Формирователь секундной импульсной последовательности Сборник научных трудов ДОНИЖТ, 2021 № 62
На выходе схемы STR1s сформирован строб с периодом в 10 секунд. На тактовый вход СКК необходимо подключить
последовательность импульсов
^К_50МШ (вывод ПЛИС Е12). Схема содержит три блока двоичных счётчиков. Два блока состоят из 16-ти разрядного счётчика СВ16СЕ и компаратора СОМР16, формирующего импульс переноса на выходе EQ. Последний третий блок содержит 4-х разрядный счётчик СВ4СЕ и компаратор СОМР4. Модуль счёта схемы М задаётся установкой констант компараторов:
Константы модулей счёта записываются в шестнадцатеричном коде:
М1 = С350Ь; М2 = 3Е8Ь; Мз = ЛЬ.
Поэтому период ТsтR секундной последовательности STR1s составляет:
ТsтR = М / (50 106) = 10 секунд.
Выводы схемы Q2, Q3, Q4 можно использовать для исследования цифровых схем с индикацией состояния на светодиодах. Период следования логических сигналов на этих выходах:
М = Mi М2 М3 = (5 104) (103) (10) = 5 108.
Q4 : «0» - 7 секунд, Q3 : «0» - 3 секунды, «1» - 3 секунды; «1» - 4секунды;
Q2 : «0» - 2 секунды, «1» - 2 секунды.
Чтобы сформировать одиночный импульс по нажатию кнопки, необходимо подавить её дребезг. Дребезг механических контактов кнопки или переключателя возникает из-за того, что невозможно мгновенно зафиксировать контакт. Поэтому вместо одиночного импульса на фронте и срезе выходного сигнала возникает случайное изменение его состояния. Вместо одного импульса наблюдаются пачки случайных импульсов при нажатии и отключении кнопки. Длительность дребезга контакта кнопки составляет около 2 мС [5].
В электронике самым простым способом для устранения дребезга является RC - фильтр нижних частот. За счёт подбора постоянной времени фильтра время заряда и разряда конденсатора превышает длительность дребезга и динамически изменяющийся высокочастотный сигнал преобразуется в постоянное значение.
Аналогичный фильтр можно использовать для обработки сигнала нажатой кнопки в проектах на основе ПЛИС. Схема генератора одиночного импульса дана на рис. 8. Сигнал с кнопки поступает на вход BIN. На трёх D - триггерах FD происходит синхронизация сигнала кнопки с тактовой последовательностью
CLK_50MHZ. Тем самым исключается наложение асинхронного сигнала кнопки и метастабильного состояния триггера. Логический элемент «Исключающее ИЛИ» XOR2 выделяет момент изменения сигнала кнопки и формирует сигнал разрешения для 16-ти разрядного CB16CE, COMP16 и 2-х разрядного CB2CE, COMP2 счётчиков. Модули их счёта устанавливаются записью констант:
М1 = C350h и М2 = 3h. Тем самым формируется задержка в 4 мС - аналог постоянной времени RC - фильтра.
Рис. 8. Формирователь одиночного импульса
Схема генератора, формирующего последовательности тактовых
импульсов на 5 и 10 кГц приведена на рис. 9.
Рис. 9. Генератор тактовых импульсов на 5 и 10 кГц
Тактовая последовательность CLK_50MHZ инструментального
модуля подаётся на вход CLK схемы. Константа 9C4h подаётся на вход В компаратора COM16 и определяет частоту импульсов на входе С двоичного счётчика CB2RE в 20 кГц. Счётчик на своих выходах Q0 и Q1 формирует тактовые
последовательности импульсов
частотой 10 и 5 кГц, соответственно. Проверка выходов схемы с помощью осциллографа показала, что амплитуда импульсов равна 3,32 В и частоты формируются с высокой точностью. Для проверки удобно использовать сквозные отверстия разъёма Л9.
Выводы
1. Для записи конфигурационной последовательности в ПЛИС инструментального модуля необходимо установить три перемычки J26 (М0, М1, М2) и выбрать режим «Master Serial».
2. При исследовании простых цифровых устройств доступ к выводам ПЛИС FPGA можно организовать, используя контакты разъёмов J18 - J20.
3. Доступ к выводам ПЛИС FPGA упрощается при изготовлении специальной платы контрольных точек на основе 100-контактного разъёма -вилки J17 Hirose FX2 - 100P - 1.27DS.
4. Для организации тактирования исследуемых цифровых устройств рекомендуются схемы формирователей импульсов: секундных, одиночных и последовательностей с частотой 5 и 10 кГц.
Список литературы:
1. Зотов В. Новый инструментальный комплект Spartan-3A Starter Kit для практического освоения методов проектирования и отладки цифровых устройств с аппаратной и программной реализацией операций, реализуемых на основе ПЛИС семейства FPGA фирмы Xilinx // Компоненты и технологии, 2007, №9. -84 - 94 с.
2. Строгонов А.В., Кошелева Н.Н., Буслаев А.Б. Проектирование цифровых устройств в базисе ПЛИС: Лабораторный практикум: Учебное пособие. - Воронеж: ВГТУ, 2017.- 123 с.
3. Кучеренко А.А. Разработка и моделирование цифровых устройств на ПЛИС фирмы Xilinx: Учебное пособие. - Донецк: ДонИЖТ, 2020. - 140 с.
4. Фунтиков М.Н. Методические указания к выполнению лабораторных работ и внеаудиторной самостоятельной работы по дисциплине «Разработка
аппаратно-программируемых радиотехнических устройств». -Донецк: ДонНТУ, 2020. - 88с. 5.
http//www.xilinx.com/bvdocs/userguides/u g330.pdf.
Аннотации:
В статье рассмотрены практические вопросы, возникающие при организации цикла лабораторных работ на основе инструментального модуля фирмы Xilinx Spartan-3A Starter Kit. На основе фирменной документации разработаны рекомендации по выбору режима работы модуля, организации доступа к выводам ПЛИС и тактирования исследуемых цифровых устройств.
Ключевые слова: программируемая логическая интегральная схема, FPGA, инструментальный модуль, цифровое устройство, рекомендации, режим работы, тактирование.
The article discusses practical issues that arise when organizing a laboratory cycle based on the Xilinx Spartan-3A Starter Kit instrumental module. Based on the company's documentation, recommendations were developed on the selection of the module mode, the organization of access to FPGA conclusions and the tact of the studied digital devices.
Keywords: programmable logical integrated circuit, FPGA, instrumental module, digital device, recommendations, operation mode, clock.
