Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language/Travail pratique/TPs de préparation
Nous allons regrouper dans ce chapitre un ensemble de TPs qui sont réalisées en niveau 14 (L1). Ils ne correspondent pas au niveau de ce livre, mais sont livrés ici pour permettre justement une préparation au contenu de ce livre. En clair il s'agit plutôt de TPs de préparation ou même de révision.
Quelques questions de ce TP sont formulées en anglais. Cela peut choquer les amoureux de la langue de Molière, mais il faut savoir que nous sommes très incités à le faire le plus possible dans notre enseignement. Alors pourquoi pas ici ?
Utilisation DE10 Lite
modifierÀ partir de 2019, nous remplaçons la basys2 (Digilent et Xilinx) par la DE-10 Lite (Intel/Altera Terasic).
Les gros changements seront dans le fichier de contraintes. Il sera constitué par un fichier au format .csv qui sera à importer.
Les anciens TPs sont gardés en fin de chapitre. Les nouveaux auront un contenu similaires mais ne peuvent pas être utilisés tels quels. Il y a des spécificités Xilinx qu'il nous faut abandonner, en particulier sur les LUTs et les mémoires. Il est possible d'utiliser les LUTs avec Altera mais pas de manière aussi simple. Nous en profitons pour les abandonner (TP2).
Autres ressources
modifierLe site Intel pour la DE10 Lite est : University Boards. Vous y trouverez, entre autre, en choisissant la DE10 Lite parmi les cartes :
Nous avons considéré à utiliser comme fichier de contraintes le fichier qsf ci-dessus à un moment. Puis nous avons abandonné l'idée aux vues des problèmes posés. Pour information, les problèmes posés étaient liés au fait que lors d'une séance de TP nous faisons faire un seul projet qui est modifié au fur et à mesure de l'avancement des différents exercices mais pas refait du départ. Certainement par ignorance, nous n'avons pas réussi à trouver une méthode efficace qui efface les contraintes du projet précédent lors de la modification du code source VHDL et de la modification des contraintes pour l'exercice en cours de construction. Ce problème ne se retrouve pas dans l'utilisation d'un fichier de type csv pour les contraintes. Cette méthode sera donc présentée dans la suite du TP.
TP1 - Des Tables de vérité et VHDL aux simplifications (3 heures)
modifierL'objectif de ce TP est de montrer qu'avec un FPGA la connaissance d'une table de vérité suffit pour réaliser un programme VHDL (sans les simplifier). Cependant, pour vous faire travailler les tableaux de Karnaugh, on vous demandera parfois de trouver les équations et de les implanter. À la fin de ce TP, vous serez capable
- d'établir une table de vérité
- d'en déduire immédiatement le programme VHDL correspondant
- ou de la transformer à l'aide d'un tableau de Karnaugh en une équation simplifiée et de l'implanter en VHDL
Tous ces allers et retours entre toutes ces formes (Table de vérité, Tableau de Karnaugh, équations) sont la base de l'apprentissage.
Un exemple simple pour comprendre l'IDE Quartus (Exercice 0)
modifierVous allez réaliser un simple OU en suivant un exemple complet réalisé par votre enseignant. L'objectif est d'apprendre :
- à réaliser un fichier VHDL, le sauver et l'ajouter au projet
- à réaliser un fichier de contrainte pour choisir les entrées et sorties, et l'ajouter au projet
- à compiler
- à charger le fichier dans votre FPGA avec USB BLASTER
Voici les fichiers VHDL utilisés :
- à partir d'une table de vérité
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
ENTITY ou IS
PORT(e0,e1 : IN std_logic;
s : OUT std_logic);
END ou;
ARCHITECTURE arch_ou OF ou IS
SIGNAL entrees : std_logic_vector(1 downto 0);
BEGIN
entrees <= e1 & e0; -- A retenir : manière de regrouper des entrées
WITH entrees SELECT
s <= '1' WHEN "01" | "10" | "11",
'0' WHEN OTHERS;
END arch_ou;
- à partir d'une équation
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
ENTITY ou IS
PORT(e0,e1 : IN std_logic;
s : OUT std_logic);
END ou;
ARCHITECTURE arch_ou OF ou IS
BEGIN
s <= e0 OR e1;
END arch_ou;
Modifier cet exemple pour ajouter une sortie qui réalise un ET.
Fichier csv utile pour DE10-Lite
modifierNous utilisons depuis plusieurs années le fichier de contraintes donné avec le format csv. Il est possible cependant d'utiliser une autre méthode directement dans le code VHDL comme ci-dessous :
architecture ....
attribute chip_pin : string;
attribute chip_pin of e0 : signal is "c10";
-- ****** AJOUTER les autres contraintes ICI **********
-- .................................
begin
L'utilisation de contraintes très nombreuses alourdira cependant le code VHDL. Nous donnons aux étudiants la possibilité de séparer les contraintes dans un autre fichier.
Pour éviter de chercher nous donnons quelques contenus du fichier csv :
To,Direction,Location,I/O Bank,VREF Group,Fitter Location,I/O Standard,Reserved,Current Strength,Slew Rate,Differential Pair,Strict Preservation SW[0],Unknown,PIN_C10,7,B7_N0,PIN_C10,3.3-V LVTTL,,,,, SW[1],Unknown,PIN_C11,7,B7_N0,PIN_C11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[2],Unknown,PIN_D12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[3],Unknown,PIN_C12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[4],Unknown,PIN_A12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[5],Unknown,PIN_B12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[6],Unknown,PIN_A13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[7],Unknown,PIN_A14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[8],Unknown,PIN_B14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[9],Unknown,PIN_F15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[0],Unknown,PIN_A8,7,B7_N0,PIN_A8,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[1],Unknown,PIN_A9,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[2],Unknown,PIN_A10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[3],Unknown,PIN_B10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[4],Unknown,PIN_D13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[5],Unknown,PIN_C13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[6],Unknown,PIN_E14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[7],Unknown,PIN_D14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[8],Unknown,PIN_A11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[9],Unknown,PIN_B11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,,
Ce fichier est à copier et sauver avec l'extension .csv dans votre projet Quartus.
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Ce fichier csv est un fichier général. Il faut l'adapter avec les noms de vos entrées et sorties que vous avez utilisé dans votre code source VHDL. SW[X] désigne un bouton d'entrée tandis que LEDR[Y] désigne une led rouge. Les entrées sorties utilisées dans les programmes VHDL donnés sont e0,e1 pour les entrées et s pour la sortie unique. On doit retrouver à tout prix ces noms dans le fichier de contraintes !!!! |
Puis il faut l'importer dans le projet Quartus : Assignments -> Import Assignments
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Ne déduisez surtout pas de cet exercice que les programmes VHDL sont plus courts avec des équations ! Vous vous apercevrez très vite que ce n'est pas le cas en général. |
Exercice 1 : Analyse d'un schéma simple puis synthèse équivalente
modifier
On donne le schéma ci-contre.
1°) Plot the corresponding function in the truth table below and in the Karnaugh map. Find the simplified sum of product expression of s=f(e0,e1,e2).
- Table de vérité
Entrées Sorties e2 e1 e0 a b s 0 0 0 ? ? ? 0 0 1 ? ? ? 0 1 0 ? ? ? 0 1 1 ? ? ? 1 0 0 ? ? ? 1 0 1 ? ? ? 1 1 0 ? ? ? 1 1 1 ? ? ?
Remarque : a et b ne sont pas à proprement parler des sorties. Il s'agit de fils intermédiaires, mais il faut les calculer pour avoir s.
2°) Realize the corresponding simplified expression as a VHDL program with an equation.
3°) Realize the corresponding boolean function as a VHDL program with a with select when.
Exercice 2 (Vote au directoire)
modifierLe comité directeur d’une entreprise est constitué de quatre membres :
- le directeur D,
- ses trois adjoints A, B, C.
Lors des réunions, les décisions sont prises à la majorité.
Chaque personne dispose d’un interrupteur pour voter sur lequel elle appuie en cas d’accord avec le projet soumis au vote. En cas d'égalité du nombre de voix, celle du directeur compte double.
On vous demande de réaliser un dispositif logique permettant l’affichage du résultat du vote sur lampe V (pour nous ce sera une LED).
1°) Écrire une table de vérité pour la sortie V puis un tableau de Karnaugh
2°) Réaliser le programme VHDL pour la sortie V avec un with select when (autrement dit à partir de la table de vérité).
3°) Réaliser le programme VHDL pour la sortie V avec une équation (si possible simplifiée avec un tableau de Karnaugh).
Exercice 3 (Vote au directoire amélioré)
modifierUne société est composée de 4 actionnaires ayant les nombres suivants d'actions A=60, B=100, C=160 et D=180.
Nous désirons construire une machine à voter automatiquement, tenant compte dans le résultat du poids en actions de chaque personne. La machine dispose de 4 boutons poussoirs A, B, C, D et le résultat sera un voyant V qui s'allumera si la majorité pondérée appuie sur les boutons.
1°) Écrire une table de vérité pour la sortie V. Réaliser le programme VHDL correspondant et vérifier que vous avez la bonne table de vérité.
2°) Réaliser le programme VHDL avec un with select when. Remarquez l'apparition d'un WARNING.
3°) Pour comprendre le WARNING de la question précédente, on vous demande de trouver l'équation simplifiée. En l'examinant vous comprendrez quel est le problème. Puis réaliser le programme VHDL avec une équation logique pour la sortie V en supprimant le WARNING.
Solutions générales du TP 1
modifierNous mettons ici un lien vers les corrigés qui se trouvent sur le WIKI de l'IUT de Troyes. Comme ces TPs sont effectivement réalisés par les étudiants de GEII, les solutions en question ne sont accessibles qu'en accès réservé sur une partie de l'année. Essayez le lien, il est librement accessible une quarantaine de semaines dans l'année voire plus si le TP est abandonné :
Si l'accès vous est refusé, patientez et revenez quelques semaines plus tard.
TP2 - Encore des tables de vérités (en VHDL)
modifierFichier csv
modifierNous donnons le fichier de contraintes complet (pour réaliser ce TP) sous la forme d'un fichier csv :
# Copyright (C) 1991-2015 Altera Corporation. All rights reserved. # Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions # and other software and tools, and its AMPP partner logic # functions, and any output files from any of the foregoing # (including device programming or simulation files), and any # associated documentation or information are expressly subject # to the terms and conditions of the Altera Program License # Subscription Agreement, the Altera Quartus II License Agreement, # the Altera MegaCore Function License Agreement, or other # applicable license agreement, including, without limitation, # that your use is for the sole purpose of programming logic # devices manufactured by Altera and sold by Altera or its # authorized distributors. Please refer to the applicable # agreement for further details. # Quartus II 64-Bit Version 15.0.0 Build 145 04/22/2015 SJ Web Edition # File: /home/serge/Altera/Projects/TP1ereAnnee/de10Lite.csv # Generated on: Tue Oct 1 14:18:35 2019 # Note: The column header names should not be changed if you wish to import this .csv file into the Quartus II software. To,Direction,Location,I/O Bank,VREF Group,Fitter Location,I/O Standard,Reserved,Current Strength,Slew Rate,Differential Pair,Strict Preservation clock_50,Input,,,,PIN_P11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[0],Unknown,PIN_C10,7,B7_N0,PIN_C10,3.3-V LVTTL,,,,, SW[1],Unknown,PIN_C11,7,B7_N0,PIN_C11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[2],Unknown,PIN_D12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[3],Unknown,PIN_C12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[4],Unknown,PIN_A12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[5],Unknown,PIN_B12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[6],Unknown,PIN_A13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[7],Unknown,PIN_A14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[8],Unknown,PIN_B14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[9],Unknown,PIN_F15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[0],Unknown,PIN_A8,7,B7_N0,PIN_A8,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[1],Unknown,PIN_A9,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[2],Unknown,PIN_A10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[3],Unknown,PIN_B10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[4],Unknown,PIN_D13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[5],Unknown,PIN_C13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[6],Unknown,PIN_E14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[7],Unknown,PIN_D14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[8],Unknown,PIN_A11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[9],Unknown,PIN_B11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[0],Unknown,PIN_C14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[1],Unknown,PIN_E15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[2],Unknown,PIN_C15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[3],Unknown,PIN_C16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[4],Unknown,PIN_E16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[5],Unknown,PIN_D17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[6],Unknown,PIN_C17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[7],Unknown,PIN_D15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[0],Unknown,PIN_C18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[1],Unknown,PIN_D18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[2],Unknown,PIN_E18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[3],Unknown,PIN_B16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[4],Unknown,PIN_A17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[5],Unknown,PIN_A18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[6],Unknown,PIN_B17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[7],Unknown,PIN_A16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[0],Unknown,PIN_B20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[1],Unknown,PIN_A20,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[2],Unknown,PIN_B19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[3],Unknown,PIN_A21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[4],Unknown,PIN_B21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[5],Unknown,PIN_C22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[6],Unknown,PIN_B22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[7],Unknown,PIN_A19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[0],Unknown,PIN_F21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[1],Unknown,PIN_E22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[2],Unknown,PIN_E21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[3],Unknown,PIN_C19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[4],Unknown,PIN_C20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[5],Unknown,PIN_D19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[6],Unknown,PIN_E17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[7],Unknown,PIN_D22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[0],Unknown,PIN_F18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[1],Unknown,PIN_E20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[2],Unknown,PIN_E19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[3],Unknown,PIN_J18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[4],Unknown,PIN_H19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[5],Unknown,PIN_F19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[6],Unknown,PIN_F20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[7],Unknown,PIN_F17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[0],Unknown,PIN_J20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[1],Unknown,PIN_K20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[2],Unknown,PIN_L18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[3],Unknown,PIN_N18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[4],Unknown,PIN_M20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[5],Unknown,PIN_N19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[6],Unknown,PIN_N20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[7],Unknown,PIN_L19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,,
Multiplieur de deux nombres de 2 bits
modifierExercise 1 (English)
modifierDesign and build a combinational logic circuit with four inputs and four outputs that multiplies two 2-bits numbers, labeled X, and Y. The output is labeled Z. Use a truth table and find out the corresponding with select when.
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity multiplier is
port ( X,Y: in STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); -- binary inputs
Z : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)); -- binary output
end multiplier;
Realize this boolean function with a "WITH SELECT WHEN"
Transcodeur binaire 7 segments
modifierLire Afficheur 7 segments.
On va réaliser un transcodeur binaire décimal vers un afficheur 7 segments. L'objectif de ce TP est d'utiliser toutes les techniques classiques de synthèse combinatoire.
Présentation du sujet
modifierUn schéma présente de manière symbolique ce que l'on cherche à faire.
La figure ci-dessus vous donne les contraintes de placement des entrées sorties. Vous pouvez le vérifier avec le fichier csv qui vous est donné un peu plus haut.
La valeur binaire (de 0 à F) choisie sur les interrupteurs est convertie pour être affichée comme ci-contre.
Exercice 2 : Transcodeur hexadécimal vers sept segments et « with select when »
modifier1°) First complete the truth table below. Read the first line carefully before starting.
- Table de vérité
Entrées Sorties sw3 sw2 sw1 sw0 g f e d c b a 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
2°) Realize this truth table as circuit in VHDL (style "with select when").
Il serait bon de mettre de côté un programme solution de la question 2°. Vous en aurez besoin plus tard.
Exercice 3 : Transcodeur pour dé
modifier
1°) Réaliser le transcodeur ci-contre avec les LEDs présentes sur la carte FPGA en utilisant un with select when. Ce que vous avez à réaliser est donc un circuit qui comporte 3 interrupteurs en entrée et 7 leds en sortie (voir schéma ci-contre).
2°) En gardant ce que vous avez fait en question 2°, on vous demande d'y ajouter un affichage sur les sept segments en utilisant le programme de la question 2° ou 3° de l'exercice précédent (que l'on vous avez demandé de mettre de côté).
Malheureusement les tests ne seront pas facilités puisque les leds utilisées sont alignées... ce qui ne serait pas le cas pour un dé commercialisé... mais l'esprit humain peut contourner ce genre de détail.
Exercice 4
modifierReprendre l'exercice 2 et l'étendre pour 8 bits d'entrée et un affichage sur 2 digits. Les poids faibles seront naturellement à droite HEX0 et les poids forts à gauche HEX1.
Il existe aux moins trois méthodes pour résoudre ce problème :
- Une première méthode serait de faire une table de vérité sur toutes les entrées. Pour 8 entrées cela fait une table de vérité de 256 lignes avec une gestion de 2x7=14 sorties. Avis aux amateurs !
- Une deuxième méthode consiste à faire deux "with select when" séparés dans une seule architecture. Chacun des "with select when" gérera 4 bits d'entrées et 7 bits de sortie.
- Une troisième méthode consiste à prendre le premier transcodeur binaire/7 segments réalisé en exercice 2 et d'en faire un composant. Cette façon de faire les choses est absolument fondamentale mais ne peut être réalisée par les étudiants que si elle a déjà été expliquée en cours et/ou en TD. Pour ceux qui désirent apprendre seuls, vous avez un lien ci-dessous.
Voir aussi
modifierAssembler des composants en VHDL
Solutions générales du TP 2
modifierNous mettons ici un lien vers les corrigés qui se trouvent sur le WIKI de l'IUT de Troyes. Comme ces TPs sont effectivement réalisés par les étudiants de GEII, les solutions en question ne sont accessibles qu'en accès réservé sur une partie de l'année. Essayez le lien, il est librement accessible une quarantaine de semaines dans l'année voire plus si le TP est abandonné :
Si l'accès vous est refusé, patientez et revenez quelques semaines plus tard.
TP3 Arithmétique, comparateurs et multiplexeurs
modifierL'arithmétique consiste à implanter des fonctions de base de l'arithmétique, c'est-à-dire addition, soustraction et multiplication. L'utilisation de l'arithmétique dans un FPGA doit suivre ses propres règles. Nous allons commencer par examiner l'addition, d'abord sans se préoccuper du fait que l'on utilise un FPGA, puis on cherchera à utiliser les composants Altera.
Fichier csv
modifierNous donnons le fichier de contraintes complet (pour réaliser ce TP) sous la forme d'un fichier csv :
# Copyright (C) 1991-2015 Altera Corporation. All rights reserved. # Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions # and other software and tools, and its AMPP partner logic # functions, and any output files from any of the foregoing # (including device programming or simulation files), and any # associated documentation or information are expressly subject # to the terms and conditions of the Altera Program License # Subscription Agreement, the Altera Quartus II License Agreement, # the Altera MegaCore Function License Agreement, or other # applicable license agreement, including, without limitation, # that your use is for the sole purpose of programming logic # devices manufactured by Altera and sold by Altera or its # authorized distributors. Please refer to the applicable # agreement for further details. # Quartus II 64-Bit Version 15.0.0 Build 145 04/22/2015 SJ Web Edition # File: /home/serge/Altera/Projects/TP1ereAnnee/de10Lite.csv # Generated on: Tue Oct 1 14:18:35 2019 # Note: The column header names should not be changed if you wish to import this .csv file into the Quartus II software. To,Direction,Location,I/O Bank,VREF Group,Fitter Location,I/O Standard,Reserved,Current Strength,Slew Rate,Differential Pair,Strict Preservation clk_50,Input,PIN_P11,,,PIN_P11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[0],Unknown,PIN_C10,7,B7_N0,PIN_C10,3.3-V LVTTL,,,,, SW[1],Unknown,PIN_C11,7,B7_N0,PIN_C11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[2],Unknown,PIN_D12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[3],Unknown,PIN_C12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[4],Unknown,PIN_A12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[5],Unknown,PIN_B12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[6],Unknown,PIN_A13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[7],Unknown,PIN_A14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[8],Unknown,PIN_B14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[9],Unknown,PIN_F15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[0],Unknown,PIN_A8,7,B7_N0,PIN_A8,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[1],Unknown,PIN_A9,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[2],Unknown,PIN_A10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[3],Unknown,PIN_B10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[4],Unknown,PIN_D13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[5],Unknown,PIN_C13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[6],Unknown,PIN_E14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[7],Unknown,PIN_D14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[8],Unknown,PIN_A11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[9],Unknown,PIN_B11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[0],Unknown,PIN_C14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[1],Unknown,PIN_E15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[2],Unknown,PIN_C15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[3],Unknown,PIN_C16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[4],Unknown,PIN_E16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[5],Unknown,PIN_D17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[6],Unknown,PIN_C17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[7],Unknown,PIN_D15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[0],Unknown,PIN_C18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[1],Unknown,PIN_D18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[2],Unknown,PIN_E18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[3],Unknown,PIN_B16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[4],Unknown,PIN_A17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[5],Unknown,PIN_A18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[6],Unknown,PIN_B17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[7],Unknown,PIN_A16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[0],Unknown,PIN_B20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[1],Unknown,PIN_A20,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[2],Unknown,PIN_B19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[3],Unknown,PIN_A21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[4],Unknown,PIN_B21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[5],Unknown,PIN_C22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[6],Unknown,PIN_B22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[7],Unknown,PIN_A19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[0],Unknown,PIN_F21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[1],Unknown,PIN_E22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[2],Unknown,PIN_E21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[3],Unknown,PIN_C19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[4],Unknown,PIN_C20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[5],Unknown,PIN_D19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[6],Unknown,PIN_E17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[7],Unknown,PIN_D22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[0],Unknown,PIN_F18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[1],Unknown,PIN_E20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[2],Unknown,PIN_E19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[3],Unknown,PIN_J18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[4],Unknown,PIN_H19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[5],Unknown,PIN_F19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[6],Unknown,PIN_F20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[7],Unknown,PIN_F17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[0],Unknown,PIN_J20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[1],Unknown,PIN_K20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[2],Unknown,PIN_L18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[3],Unknown,PIN_N18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[4],Unknown,PIN_M20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[5],Unknown,PIN_N19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[6],Unknown,PIN_N20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[7],Unknown,PIN_L19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,,
De l'additionneur 1 bit à l'additionneur 4 bits
modifierPour compléter vos connaissances, vous pouvez lire Additionneur dans Wikipédia et/ou l'addition dans Wikibook.
Les circuits de calcul entier reste le document le plus complet sur le sujet dans WIKIBOOK (surtout pour la deuxième question de l'exercice 1).
Exercice 1
modifier1) Implanter un additionneur 1 bit avec un with select when. Pour les tests, les entrées seront reliées à des interrupteurs et les sorties à des LEDs.
2) Réaliser 4 fois le schéma précédent et montrer que l'on peut réaliser ainsi un additionneur 4 bits. N'oubliez pas que la somme de deux nombres de 4 bits peut donner un nombre de 5 bits. Lire additionneur parallèle à propagation de retenue et mieux encore Addition non signée où vous trouverez le schéma ci-dessous qui est demandé dans cette question 2 :
Application simple d'un additionneur 4 bits : codage/décodage du code Excess 3
modifierAprès avoir réalisé un additionneur 4 bits, on vous propose l'exercice ci-dessous. L'additionneur 4 bits est nommé 7483 dans le schéma.
Exercice 2 (transcodeur BCD vers EXCESS- 3)
modifier
Code converter is a combinational circuit that translates the input code word into a new corresponding word. The (fr) excess-3 code digit is obtained by adding three to the corresponding BCD digit. To Construct a BCD-to-excess-3-code converter with a 4-bit adder feed BCD-code to the 4-bit adder as the first operand and then feed constant 3 as the second operand. The output is the corresponding excess-3 code.
Realize this circuit diagram in VHDL.
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Indications :
-- addition sur 4 bits
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_arith.all;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.all;
ENTITY add4 IS
PORT (a,b : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
Cin : IN STD_LOGIC; --retenue précédente
s : OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0)); --retenue en s(4)
END add4;
ARCHITECTURE arch_add4 OF add4 IS
BEGIN
-- ne pas confondre + avec OR
s <= conv_std_logic_vector((conv_integer(a) + conv_integer(b) + conv_integer(Cin)),5);
END arch_add4;
|
Mais vous pourriez aussi utiliser la hiérarchie de l'exercice 1 pour obtenir une hiérarchie sur 3 niveau : le transcodeur qui contient un additionneur 4 bits qui contient 4 additionneurs 1 bit.
Quelque soit votre choix, les ou exclusifs (de la figure ci-dessus, pas ceux des additionneurs) seront réalisés avec de simples équations (pour éviter d'autres port map).
Pour vous aider à tester, la table de vérité du code excess-3 donnée maintenant :
- Table de vérité du code EXCESS-3
Entrées Sorties B3 B2 B1 B0 E3 E2 E1 E0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 Φ Φ Φ Φ 1 0 1 1 Φ Φ Φ Φ 1 1 0 0 Φ Φ Φ Φ 1 1 0 1 Φ Φ Φ Φ 1 1 1 0 Φ Φ Φ Φ 1 1 1 1 Φ Φ Φ Φ
Exercice 3
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La première partie n'utilise pas le tableau de Karnaugh de la figure. Celui-ci est uniquement lié à la deuxième partie de cet exercice.
Première partie
modifierDans la figure ci-contre, la sortie GT désigne Greater Than et la sortie LT désigne quant à elle Less Than. Quand le nombre est plus grand que le nombre alors la sortie GT passe à 1. Elle reste à 0 dans tous les autres cas. Ce genre de circuit est appelé comparateur.
Réaliser une comparaison seule (figure ci-contre en remplaçant le "neuf" par des interrupteurs). Modifier le fichier csv pour utiliser sw7 ... sw0 en entrée et led0 en sortie (pour GT seulement). Tester.
|
Indication : Le comparateur COMPM4 présent dans cet exercice est une terminologie Xilinx. Il pourrait être avantageusement remplacé par lpm_compare avec Quartus mais celui-ci est un peu trop complexe à ce stade des TPs. Nous préférons donc donner son code VHDL (ce code VHDL est automatiquement généré dès que vous utilisez un COMPM4 dans un schéma, d'où sa lourdeur) : library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity COMPM4_exo3 is
port(
GT : out std_logic;
LT : out std_logic;
A0 : in std_logic;
A1 : in std_logic;
A2 : in std_logic;
A3 : in std_logic;
B0 : in std_logic;
B1 : in std_logic;
B2 : in std_logic;
B3 : in std_logic
);
end COMPM4_exo3;
architecture COMPM4_exo3_V of COMPM4_exo3 is
signal a_tmp: std_logic_vector(3 downto 0);
signal b_tmp: std_logic_vector(3 downto 0);
begin
a_tmp <= A3&A2&A1&A0;
b_tmp <= B3&B2&B1&B0;
GT <= '1' when (a_tmp > b_tmp ) else '0';
LT <= '1' when (a_tmp < b_tmp ) else '0';
end COMPM4_exo3_V;
----- CELL CB4CE_HXILINX_chenillard -----
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Pour vous obliger à bien comprendre ce code, il vous est demandé de remplacer les entrées individuelles A3,A2,A1,A0 et B3,B2,B1,B0 par deux entrées a et b en std_logic_vector( 3 downto 0). En clair vous faites certes un copier/coller du code, mais vous le modifiez ensuite. Le code final doit être ainsi simplifié (d'au moins 10 lignes).
Deuxième partie
modifierPuis fixer les entrées Bi à 9 pour en faire une fonction de 4 entrées A3,A2,A1,A0 comme dans la figure. Remplir une table de vérité puis un tableau de Karnaugh.
- Table de vérité du comparateur à 9
Entrées Sorties A3 A2 A1 A0 GT 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
| S | A1 A0 | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|
| A3 A2 | |||||
| 00 | |||||
| 01 | |||||
| 11 | |||||
| 10 |
1°) Implanter la table de vérité réalisant l'ensemble. La câbler puis l'essayer dans le FPGA. Faire constater à l'enseignant.
2°) Déduire du tableau de Karnaugh une équation simplifiée que l'on implantera en VHDL.
Exercice 4 : additionneur complet (1 bit) et multiplexeur
modifier|
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L'objectif de cet exercice est de réaliser une synthèse avec un ou plusieurs multiplexeurs. Ce type de synthèse n'a pas forcément été abordée en TD. Donc, avant de vous lancer dans cet exercice, demandez à l'enseignant quelques indications. |
Implement a full 1-bit adder
(a) using two 8-to-1 MUXes. Connect X,Y, and Cin in to the control inputs of the MUXes and connect 1 or 0 to each data input.
(b) using two 4-to-1 MUXes and one inverter. Connect X and Y to the control inputs of the MUXes, and connect 1’s, 0’s, Cin in , or Cin′ in to each data input.
(c) again using two 4-to-1 MUXes, but this time connect Cin in and Y to the control inputs of the MUXes, and connect 1’s, 0’s, X, or X′ to each data input. Note that in this fashion, any N-variable logic function may be implemented using a 2 (N−1) to-1 MUX.
|
Indication : ce travail nécessite de réaliser un assemblage de circuits donc se fait avec des PORT MAP: voir Assembler des composants en VHDL. Voici le code de départ d'un multiplexeur 8 vers 1. -- description du multiplexeur
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity mux8 is port (
sel: in std_logic_vector(2 downto 0);
e : in std_logic_vector(7 downto 0);
s : out std_logic
);
end entity mux8;
architecture behavior of mux8 is
begin
with sel select
s <= e(0) when "000",
e(1) when "001",
e(2) when "010",
e(3) when "011",
e(4) when "100",
e(5) when "101",
e(6) when "110",
e(7) when others;
end behavior;
|
Solutions générales du TP 3
modifierNous mettons ici un lien vers les corrigés qui se trouvent sur le WIKI de l'IUT de Troyes. Comme ces TPs sont effectivement réalisés par les étudiants de GEII, les solutions en question ne sont accessibles qu'en accès réservé sur une partie de l'année. Essayez le lien, il est librement accessible une quarantaine de semaines dans l'année voire plus si le TP est abandonné :
Si l'accès vous est refusé, patientez et revenez quelques semaines plus tard.
TP4 Introduction au séquentiel (3 heures)
modifierBesoin d'une horloge pour dépasser le combinatoire
modifierLes compteurs permettent de diminuer la fréquence d'horloge (entre autre).
Fichier csv
modifierNous donnons le fichier de contraintes complet (pour réaliser ce TP) sous la forme d'un fichier csv :
# Copyright (C) 1991-2015 Altera Corporation. All rights reserved. # Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions # and other software and tools, and its AMPP partner logic # functions, and any output files from any of the foregoing # (including device programming or simulation files), and any # associated documentation or information are expressly subject # to the terms and conditions of the Altera Program License # Subscription Agreement, the Altera Quartus II License Agreement, # the Altera MegaCore Function License Agreement, or other # applicable license agreement, including, without limitation, # that your use is for the sole purpose of programming logic # devices manufactured by Altera and sold by Altera or its # authorized distributors. Please refer to the applicable # agreement for further details. # Quartus II 64-Bit Version 15.0.0 Build 145 04/22/2015 SJ Web Edition # File: /home/serge/Altera/Projects/TP1ereAnnee/de10Lite.csv # Generated on: Tue Oct 1 14:18:35 2019 # Note: The column header names should not be changed if you wish to import this .csv file into the Quartus II software. To,Direction,Location,I/O Bank,VREF Group,Fitter Location,I/O Standard,Reserved,Current Strength,Slew Rate,Differential Pair,Strict Preservation clk_50,Input,PIN_P11,,,PIN_P11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[0],Unknown,PIN_C10,7,B7_N0,PIN_C10,3.3-V LVTTL,,,,, SW[1],Unknown,PIN_C11,7,B7_N0,PIN_C11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[2],Unknown,PIN_D12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[3],Unknown,PIN_C12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[4],Unknown,PIN_A12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[5],Unknown,PIN_B12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[6],Unknown,PIN_A13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[7],Unknown,PIN_A14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[8],Unknown,PIN_B14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[9],Unknown,PIN_F15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[0],Unknown,PIN_A8,7,B7_N0,PIN_A8,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[1],Unknown,PIN_A9,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[2],Unknown,PIN_A10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[3],Unknown,PIN_B10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[4],Unknown,PIN_D13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[5],Unknown,PIN_C13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[6],Unknown,PIN_E14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[7],Unknown,PIN_D14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[8],Unknown,PIN_A11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[9],Unknown,PIN_B11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[0],Unknown,PIN_C14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[1],Unknown,PIN_E15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[2],Unknown,PIN_C15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[3],Unknown,PIN_C16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[4],Unknown,PIN_E16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[5],Unknown,PIN_D17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[6],Unknown,PIN_C17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[7],Unknown,PIN_D15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[0],Unknown,PIN_C18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[1],Unknown,PIN_D18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[2],Unknown,PIN_E18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[3],Unknown,PIN_B16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[4],Unknown,PIN_A17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[5],Unknown,PIN_A18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[6],Unknown,PIN_B17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[7],Unknown,PIN_A16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[0],Unknown,PIN_B20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[1],Unknown,PIN_A20,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[2],Unknown,PIN_B19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[3],Unknown,PIN_A21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[4],Unknown,PIN_B21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[5],Unknown,PIN_C22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[6],Unknown,PIN_B22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[7],Unknown,PIN_A19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[0],Unknown,PIN_F21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[1],Unknown,PIN_E22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[2],Unknown,PIN_E21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[3],Unknown,PIN_C19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[4],Unknown,PIN_C20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[5],Unknown,PIN_D19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[6],Unknown,PIN_E17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[7],Unknown,PIN_D22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[0],Unknown,PIN_F18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[1],Unknown,PIN_E20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[2],Unknown,PIN_E19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[3],Unknown,PIN_J18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[4],Unknown,PIN_H19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[5],Unknown,PIN_F19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[6],Unknown,PIN_F20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[7],Unknown,PIN_F17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[0],Unknown,PIN_J20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[1],Unknown,PIN_K20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[2],Unknown,PIN_L18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[3],Unknown,PIN_N18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[4],Unknown,PIN_M20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[5],Unknown,PIN_N19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[6],Unknown,PIN_N20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[7],Unknown,PIN_L19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,,
Exercice 1
modifierVous disposez d'une horloge 50MHz en broche "P11" de votre composant FPGA MAX10. Réaliser à l'aide d'un compteur 24 bits une horloge d'environ 3 Hz. Sortie sur une LED, le clignotement de celle-ci doit être visible à l'œil.
|
Indications
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY cmpt8bits IS
PORT(clk_50 : IN STD_LOGIC;
cnt : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));
END cmpt8bits;
ARCHITECTURE arch_cmpt8bits OF cmpt8bits IS
signal cmpt : std_logic_vector(7 downto 0);
BEGIN
process(clk_50) begin
if rising_edge(clk_50) then
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end process;
cnt <= cmpt;
END arch_cmpt8bits;
|
- L'horloge que l'on vient de réaliser sera utilisée presque systématiquement par la suite. Il faut donc sauvegarder à tout prix ce fichier source.
- Cette façon de réaliser une horloge lente est déconseillée dans les FPGA. Nous décidons quand même de l'utiliser par souci de simplification pour des étudiants débutants.
Par abus de langage on appellera compteur dans toute la suite de ces TPs, un élément séquentiel qui comporte une horloge mais qui ne compte pas forcément en binaire. Dans ce dernier cas, son équation de récurrence ne peut donc pas s'écrire simplement à l'aide d'une addition.
Réaliser un graphe d'évolution simple
modifierAvant toute chose, il nous faut nous demander comment utiliser des équations de récurrences booléennes. On vous représente ci-après la façon de procéder :
- trouver le diagramme d'évolution
- en déduire le tableau état présent/état futur
- en déduire les équations en utilisant éventuellement un tableau de Karnaugh
Lisez Des diagrammes d'évolutions aux équations de récurrences pour la partie théorique. Vous y trouverez les équations de récurrences nécessaires à la réalisation de l'exercice 2.
Exercice 2
modifier
1°) Realize the system specified above with a state diagram. The clock is, as usual, "clk_slow" (see l'exercise 1). Add two LEDs as outputs to be able to check your VHDL program.
2°) Design a modulo-4 counter with an input D, for Down. When D is not asserted, the counter counts up, modulo-4. When D is asserted (1), the counter counts down, modulo-4. Draw a state diagram to implement it and derive the state table. Then design a complete sequential circuit using VHDL. Please use a 7 segments display to check your VHDL code.
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Indication : Si vous voulez avoir une chance de voir les LEDs défiler, vous devez utiliser le compteur de l'exercice 1 pour faire une horloge lente et l'utiliser comme entrée horloge de ce qui vous est demandé. Il y a donc du PORT MAP dans l'air. library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY cmpt_exo2 IS PORT (
clk: IN std_logic;
q0,q1: OUT std_logic);
END cmpt_exo2;
ARCHITECTURE arch_cmpt_exo2 OF cmpt_exo2 IS
SIGNAL q1q0 : std_logic_vector(1 downto 0);
BEGIN
PROCESS (clk) BEGIN -- ou cmpt:PROCESS (clk) BEGIN
IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
q1q0(0) <= NOT q1q0(0);
-- add the second equation here
END IF;
END PROCESS;
-- mise à jour des sorties
q0 <= q1q0(0);
q1 <= q1q0(1);
END arch_cmpt_exo2;
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Compteur décimal à sortie directe sept segments (1 digit en VHDL)
modifierLe compteur sept segments est réalisé en VHDL et sera assemblé avec le dispositif destiné à réaliser l'horloge lente : compteur 24 bits de l'exercice 1.
Exercice 3
modifier1°) Écrire les équations logiques a+, b+, c+, d+ ,e+, f+, g+ en fonction des entrées a, b, c, d, e, f, g. Implanter en VHDL.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK_lent : IN STD_LOGIC;
a,b,c,d,e,f,g : OUT STD_LOGIC);
-- ou alors : s7segs : out std_logic_vector(6 downto 0));
END cmpt7seg;
Il nous reste un problème important à résoudre, c'est l'initialisation. En effet pour bien faire il faudrait étudier les 127-10=117 états restants pour voir comment ils se connectent sur notre cycle. C'est un travail important qu'il est impossible de réaliser à moins d'y passer 117 soirées (à raison d'une transition par soirée) soit presque 4 mois !!!
Pour éviter cela on va prévoir une entrée d'initialisation appelée Init au cas où à la mise sous tension on se trouve dans un état non prévu. Cette entrée fonctionnera de manière synchrone, lorsqu'elle sera à 1 un front d'horloge provoquera l'affichage du 0 en sortie du compteur.
2°) Écrire maintenant les équations de récurrence trouvées en 1°) en ajoutant convenablement l'entrée Init.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK_lent, Init : IN STD_LOGIC;
a,b,c,d,e,f,g : OUT STD_LOGIC);
-- ou alors : s7segs : out std_logic_vector(6 downto 0));
END cmpt7seg;
Exercice 4
modifierRefaire le même travail que l'exo3 en utilisant un case when et toujours "clk_slow" comme horloge.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK_lent : IN STD_LOGIC;
s_7segs : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));
END cmpt7seg;
Remarquez l'utilisation du STD_LOGIC_VECTOR au lieu des sorties individuelles. Le fait qu'il soit en OUT implique que l'on utilisera un signal interne pour les "CASE".
Indication : Implanter un diagramme d'évolution en VHDL peut se faire de manière systématique :
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library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY demo IS PORT(
clock : IN std_logic;
q : OUT std_logic_VECTOR(1 DOWNTO 0));
END demo;
ARCHITECTURE mydemo OF demo IS
SIGNAL q1q0 : std_logic_vector(1 downto 0);
BEGIN
PROCESS(clock) BEGIN
IF clock'EVENT AND clock='1' THEN
CASE q1q0 IS --style case when
WHEN "00" => q1q0 <="01";
WHEN "01" => q1q0 <="10";
WHEN "10" => q1q0 <="11";
WHEN OTHERS => q1q0 <="00" ;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
q <= q1q0;
END mydemo;
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Solutions générales du TP 4
modifierNous mettons ici un lien vers les corrigés qui se trouvent sur le WIKI de l'IUT de Troyes. Comme ces TPs sont effectivement réalisés par les étudiants de GEII, les solutions en question ne sont accessibles qu'en accès réservé sur une partie de l'année. Essayez le lien, il est librement accessible une quarantaine de semaines dans l'année voire plus si le TP est abandonné :
Si l'accès vous est refusé, patientez et revenez quelques semaines plus tard.
TP5 M1102 : VHDL et Compteurs
modifier# Copyright (C) 1991-2015 Altera Corporation. All rights reserved. # Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions # and other software and tools, and its AMPP partner logic # functions, and any output files from any of the foregoing # (including device programming or simulation files), and any # associated documentation or information are expressly subject # to the terms and conditions of the Altera Program License # Subscription Agreement, the Altera Quartus II License Agreement, # the Altera MegaCore Function License Agreement, or other # applicable license agreement, including, without limitation, # that your use is for the sole purpose of programming logic # devices manufactured by Altera and sold by Altera or its # authorized distributors. Please refer to the applicable # agreement for further details. # Quartus II 64-Bit Version 15.0.0 Build 145 04/22/2015 SJ Web Edition # File: /home/serge/Altera/Projects/TP1ereAnnee/de10Lite.csv # Generated on: Tue Oct 1 14:18:35 2019 # Note: The column header names should not be changed if you wish to import this .csv file into the Quartus II software. To,Direction,Location,I/O Bank,VREF Group,Fitter Location,I/O Standard,Reserved,Current Strength,Slew Rate,Differential Pair,Strict Preservation clk_50MHz,Input,PIN_P11,,,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[0],Unknown,PIN_C10,7,B7_N0,PIN_C10,3.3-V LVTTL,,,,, SW[1],Unknown,PIN_C11,7,B7_N0,PIN_C11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[2],Unknown,PIN_D12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[3],Unknown,PIN_C12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[4],Unknown,PIN_A12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[5],Unknown,PIN_B12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[6],Unknown,PIN_A13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[7],Unknown,PIN_A14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[8],Unknown,PIN_B14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[9],Unknown,PIN_F15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[0],Unknown,PIN_A8,7,B7_N0,PIN_A8,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[1],Unknown,PIN_A9,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[2],Unknown,PIN_A10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[3],Unknown,PIN_B10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[4],Unknown,PIN_D13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[5],Unknown,PIN_C13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[6],Unknown,PIN_E14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[7],Unknown,PIN_D14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[8],Unknown,PIN_A11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[9],Unknown,PIN_B11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[0],Unknown,PIN_C14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[1],Unknown,PIN_E15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[2],Unknown,PIN_C15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[3],Unknown,PIN_C16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[4],Unknown,PIN_E16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[5],Unknown,PIN_D17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[6],Unknown,PIN_C17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[7],Unknown,PIN_D15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[0],Unknown,PIN_C18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[1],Unknown,PIN_D18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[2],Unknown,PIN_E18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[3],Unknown,PIN_B16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[4],Unknown,PIN_A17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[5],Unknown,PIN_A18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[6],Unknown,PIN_B17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[7],Unknown,PIN_A16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[0],Unknown,PIN_B20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[1],Unknown,PIN_A20,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[2],Unknown,PIN_B19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[3],Unknown,PIN_A21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[4],Unknown,PIN_B21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[5],Unknown,PIN_C22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[6],Unknown,PIN_B22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[7],Unknown,PIN_A19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[0],Unknown,PIN_F21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[1],Unknown,PIN_E22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[2],Unknown,PIN_E21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[3],Unknown,PIN_C19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[4],Unknown,PIN_C20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[5],Unknown,PIN_D19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[6],Unknown,PIN_E17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[7],Unknown,PIN_D22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[0],Unknown,PIN_F18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[1],Unknown,PIN_E20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[2],Unknown,PIN_E19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[3],Unknown,PIN_J18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[4],Unknown,PIN_H19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[5],Unknown,PIN_F19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[6],Unknown,PIN_F20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[7],Unknown,PIN_F17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[0],Unknown,PIN_J20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[1],Unknown,PIN_K20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[2],Unknown,PIN_L18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[3],Unknown,PIN_N18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[4],Unknown,PIN_M20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[5],Unknown,PIN_N19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[6],Unknown,PIN_N20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[7],Unknown,PIN_L19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,,
Exercice 1
modifierCet exercice ne sera réalisé que par les étudiants qui ne sont pas allés jusqu'au bout du TP 4.
Nous vous donnons deux composants VHDL et on vous demande d'en réaliser un assemblage.
On vous donne les deux composants VHDL suivants. On vous demande de les assembler (en complétant les transitions de « cmpt7seg » ) dans un programme TOP.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY cmpt24bits IS
PORT(clk_50MHz : IN STD_LOGIC;
clk_slow : OUT STD_LOGIC);
END cmpt24bits;
ARCHITECTURE acmpt24bits OF cmpt24bits IS
signal cmpt : std_logic_vector(23 downto 0);
BEGIN
process(clk_50MHz) begin
if rising_edge(clk_50MHz) then
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end process;
clk_slow <= cmpt(23);
END acmpt24bits;
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK : IN STD_LOGIC;
s_7segs : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));
END cmpt7seg;
ARCHITECTURE arch OF cmpt7seg IS -- comment éviter les equations
SIGNAL s7segs : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(clk) BEGIN
IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
CASE s7segs is --style case when
WHEN "1000000" => s7segs <="???????"; -- première transition
WHEN "1111001" => s7segs <="???????"; -- deuxieme transition
WHEN "0100100" => s7segs <="???????"; -- troisième transition
WHEN "0110000" => s7segs <="???????";
WHEN "0011001" => s7segs <="???????";
WHEN "0010010" => s7segs <="???????";
WHEN "0000010" => s7segs <="???????";
WHEN "1111000" => s7segs <="???????";
WHEN "0000000" => s7segs <="???????";
WHEN "0010000" => s7segs <="???????"; -- dernière transition
-- dans tous les autres cas on revient sur 8 ce qui utilise 42 LE contre 45 LE pour bouclage à 0 !!!!
WHEN OTHERS => s7segs <="0000000";
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
s_7segs <=s7segs;
END arch;
Nous allons reprendre le problème du compteur sept segments mais de façon plus normale.
Compteur à sortie sept segments sur deux digits en VHDL
modifierCette partie doit être réalisée avec les afficheurs sept segments reliés à la carte.
Nous allons réaliser cet exercice en plusieurs étapes.
Exercice 2
modifierNous désirons implanter un ensemble composé d'un compteur 8 bits et sortant sa valeur sur deux afficheurs sept segments ( affichage de 00 à FF)...
Attention, le poids faible doit être à droite !!!
1°) Réaliser d'abord un compteur simple 8 bit associé à une division par 2**24 et sortant directement sur des LEDs. La seule entrée est clk_50 qui se trouve en "P11" sur le FPGA. Les 8 sorties sont reliées aux 8 LEDs de la carte. Remarquez que le seul compteur qui nous intéresse est le compteur 8 bits de droite, l'autre étant là pour ralentir l'horloge.
2°) Réaliser maintenant l'affichage des 4 bits de poids faibles sur un seul afficheur.
3°) Réaliser maintenant l'affichage des 8 bits du compteur sur deux afficheurs. La figure donne en principe ce que l'on cherche à faire. Vous devez comprendre la présence des deux transcodeurs.
4°) Il peut être aussi très important de savoir utiliser le travail des autres. Une librairie intéressante (parcequ'elle est universelle) est la librairie "library of parameterized modules" (LPM). Réaliser le même montage que la question 3 en utilisant un compteur générique lpm
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Indications :
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY transcod7segs IS PORT(
e : in std_logic_vector(3 downto 0);
s7segs : out std_logic_vector(6 downto 0));
END transcod7segs;
ARCHITECTURE arch of transcod7segs IS
BEGIN
with e select
--gfedcba
s7segs <= "1000000" when "0000",
"1111001" when "0001",
"0100100" when "0010",
"0110000" when "0011",
"0011001" when "0100",
"0010010" when "0101",
"0000010" when "0110",
"1111000" when "0111",
"0000000" when "1000",
"0010000" when "1001",
"0001000" when "1010",
"0000011" when "1011",
"1000110" when "1100",
"0100001" when "1101",
"0000110" when "1110",
"0001110" when others;
END;
L'utilisation de la librairie LPM se fait par : -- a mettre dans la partie entête
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
LIBRARY lpm; -- for LPM
USE lpm.lpm_components.ALL;
----------------------------------
-- a mettre dans l'architecture --
-- apres le begin --
----------------------------------
ic2: lpm_counter GENERIC MAP (
LPM_WIDTH => 8
)
PORT MAP (CLOCK => s_clk_slow,
q(7 downto 4) => s_transcod1,
q(3 downto 0) => s_transcod0);
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Compteur BCD sur deux digits
modifierNous cherchons maintenant à modifier le compteur de l'exercice précédent (exercice 2) pour qu'il affiche de 00 à 99 (et non plus de 00 à FF). En clair, à partir de maintenant chaque digit ne variera plus que de 0 à 9. C'est cela que l'on appelle BCD : Binary coded decimal en anglais ou DCB : Décimal codé binaire en français. On utilisera plus souvent la dénomination anglaise BCD pour ce type de données dans la suite des TPs.
Exercice 3
modifier1°) Réaliser un compteur BCD 4 bits sur un seul digit.
2°) Rendre ce compteur BCD cascadable et le cascader pour fournir un compteur BCD sur 8 bits (deux digits).
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Indication : une aide pour réaliser un compteur BCD vous est présentée. Vous devez le modifier pour le rendre cascadable. library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity CounterBCD is
port( EN: in std_logic;
Clock: in std_logic;
Reset: in std_logic;
-- ENO : out std_logic;
Output: out std_logic_vector(3 downto 0));
end CounterBCD;
architecture Behavioral of CounterBCD is
signal cmpt: std_logic_vector(3 downto 0);
begin process(Clock,Reset)
begin
if Reset='1' then
cmpt <= "0000";
elsif(rising_edge(Clock)) then
if EN='1' then
if cmpt="1001" then
cmpt<="0000";
else
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end if;
end if;
end process;
Output <= cmpt;
end Behavioral;
La réalisation de ENO étant combinatoire, on vous demande de le réaliser avec un with select when. En remarquant que ENO est à 1 si EN=1 et cmpt=9, il est possible de réaliser une concaténation du signal pour l'utiliser dans le with select when. Voici le tout en image : s_en_cmpt <= en & cmpt; -- operateur '&' est une concatenation
with s_en_cmpt select
ENO <= '1' when "?????",
'0' when others;
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Exercice 4 Compteur/décompteur BCD sur deux digits
modifierRéaliser un compteur/décompteur BCD 4 bits. Prévoir les tests correspondants à partir du schéma de l'exercice 2.
Indication : une aide pour réaliser un compteur décompteur BCD cascadable peut être trouvée ici.
Solutions générales du TP 5
modifierNous mettons ici un lien vers les corrigés qui se trouvent sur le WIKI de l'IUT de Troyes. Comme ces TPs sont effectivement réalisés par les étudiants de GEII, les solutions en question ne sont accessibles qu'en accès réservé sur une partie de l'année. Essayez le lien, il est librement accessible une quarantaine de semaines dans l'année voire plus si le TP est abandonné :
Si l'accès vous est refusé, patientez et revenez quelques semaines plus tard.
TP6 : Séquentiel (suite) et mémoires
modifierFichier csv
modifierNous donnons le fichier de contraintes complet (pour réaliser ce TP) sous la forme d'un fichier csv :
# Copyright (C) 1991-2015 Altera Corporation. All rights reserved. # Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions # and other software and tools, and its AMPP partner logic # functions, and any output files from any of the foregoing # (including device programming or simulation files), and any # associated documentation or information are expressly subject # to the terms and conditions of the Altera Program License # Subscription Agreement, the Altera Quartus II License Agreement, # the Altera MegaCore Function License Agreement, or other # applicable license agreement, including, without limitation, # that your use is for the sole purpose of programming logic # devices manufactured by Altera and sold by Altera or its # authorized distributors. Please refer to the applicable # agreement for further details. # Quartus II 64-Bit Version 15.0.0 Build 145 04/22/2015 SJ Web Edition # File: /home/serge/Altera/Projects/TP1ereAnnee/de10Lite.csv # Generated on: Tue Oct 1 14:18:35 2019 # Note: The column header names should not be changed if you wish to import this .csv file into the Quartus II software. To,Direction,Location,I/O Bank,VREF Group,Fitter Location,I/O Standard,Reserved,Current Strength,Slew Rate,Differential Pair,Strict Preservation clk_50,Input,PIN_P11,,,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[0],Unknown,PIN_C10,7,B7_N0,PIN_C10,3.3-V LVTTL,,,,, SW[1],Unknown,PIN_C11,7,B7_N0,PIN_C11,3.3-V LVTTL,,,,, SW[2],Unknown,PIN_D12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[3],Unknown,PIN_C12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[4],Unknown,PIN_A12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[5],Unknown,PIN_B12,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[6],Unknown,PIN_A13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[7],Unknown,PIN_A14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[8],Unknown,PIN_B14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, SW[9],Unknown,PIN_F15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[0],Unknown,PIN_A8,7,B7_N0,PIN_A8,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[1],Unknown,PIN_A9,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[2],Unknown,PIN_A10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[3],Unknown,PIN_B10,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[4],Unknown,PIN_D13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[5],Unknown,PIN_C13,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[6],Unknown,PIN_E14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[7],Unknown,PIN_D14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[8],Unknown,PIN_A11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, LEDR[9],Unknown,PIN_B11,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[0],Unknown,PIN_C14,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[1],Unknown,PIN_E15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[2],Unknown,PIN_C15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[3],Unknown,PIN_C16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[4],Unknown,PIN_E16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[5],Unknown,PIN_D17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[6],Unknown,PIN_C17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX0[7],Unknown,PIN_D15,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[0],Unknown,PIN_C18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[1],Unknown,PIN_D18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[2],Unknown,PIN_E18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[3],Unknown,PIN_B16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[4],Unknown,PIN_A17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[5],Unknown,PIN_A18,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[6],Unknown,PIN_B17,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX1[7],Unknown,PIN_A16,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[0],Unknown,PIN_B20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[1],Unknown,PIN_A20,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[2],Unknown,PIN_B19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[3],Unknown,PIN_A21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[4],Unknown,PIN_B21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[5],Unknown,PIN_C22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[6],Unknown,PIN_B22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX2[7],Unknown,PIN_A19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[0],Unknown,PIN_F21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[1],Unknown,PIN_E22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[2],Unknown,PIN_E21,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[3],Unknown,PIN_C19,7,B7_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[4],Unknown,PIN_C20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[5],Unknown,PIN_D19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[6],Unknown,PIN_E17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX3[7],Unknown,PIN_D22,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[0],Unknown,PIN_F18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[1],Unknown,PIN_E20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[2],Unknown,PIN_E19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[3],Unknown,PIN_J18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[4],Unknown,PIN_H19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[5],Unknown,PIN_F19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[6],Unknown,PIN_F20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX4[7],Unknown,PIN_F17,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[0],Unknown,PIN_J20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[1],Unknown,PIN_K20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[2],Unknown,PIN_L18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[3],Unknown,PIN_N18,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[4],Unknown,PIN_M20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[5],Unknown,PIN_N19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[6],Unknown,PIN_N20,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,, HEX5[7],Unknown,PIN_L19,6,B6_N0,,3.3-V LVTTL,,,,,
Le mécanisme du réveil
modifier
Dans la partie droite de la figure ci-dessus, vous pouvez apercevoir le diagramme d'évolution du réveil qui sera utilisé comme exemple par la suite.
Principe de fonctionnement du réveil : à partir de "Off", "key"=1 arme le réveil. Si "trip" passe à 1 (c'est-à-dire que l'heure courante devient égale à l'heure de réveil) le réveil passe en "ringing" et sonne. "trip" ne reste pas très longtemps à un (1 seconde). Son retour à 0 ne suffit pas à arrêter la sonnerie. Seul le passage de "key" à 0 peut l'arrêter.
Les graphes d'évolutions et le style « case when »
modifierOn rappelle encore une fois que le style « case when » permet de ne pas chercher les équations de récurrences. Mais comme nos diagrammes d'évolutions se sont compliqués (par l'ajout d'étiquettes sur les transitions), il nous faudra ajouter des "if then". Cela est tellement intuitif que nous passons directement aux exemples. Nous commençons par présenter partiellement le réveil.
Programmation sans initialisation
modifierLe principe consiste à déclarer d'abord un type énuméré avec une définition symbolique de chacun des états (ici Armed, Off, Ringing) :
TYPE typetat IS (Armed, Off, Ringing); -- dans architecture
SIGNAL etat : typetat;
Ensuite dans un « case when » on détaillera toutes les transitions possibles comme montré ci-dessous dans le cas où l'on ne s'intéresse pas à une initialisation :
-- sans initialisation
BEGIN
PROCESS (clock) BEGIN
IF clock'EVENT AND clock='1' THEN
CASE etat IS
WHEN Off => IF key ='1' THEN etat <= Armed;
ELSE etat <= Off;
END IF;
....
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
....
L'idée générale est donc d'utiliser un « case » sur les états avec des « if » pour gérer l'ensemble des transitions.
Exercice 1
modifierRéaliser le réveil ci-dessus en n'oubliant pas de ralentir l'horloge du séquenceur pour éviter les problèmes de rebonds.
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Indications :
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Compteur à sortie sept segments avec mémoire
modifierNous allons utiliser un compteur normal, c'est-à-dire qui compte en binaire sur 4 bits suivi d'une mémoire pour le transcodage.
L'initialisation des mémoires du MAX10 nécessite une configuration particulière de la compilation :
- assignments-->device-->device and pin options -->configuration-->configuration mode :single uncompressed image with Memory Initialization (512Kbit) UFM
Le "smart compilation" ne peut pas être géré directement par l'IDE pour les FPGA de type MAX10 pour une raison inconnue de nous. Il vous faut le forcer en ajoutant dans le fichier .qsf la ligne :
- set_global_assignment -name SMART_RECOMPILE ON
La "smart compilation" dont il est question ici veut dire qu'un changement du contenu du fichier .mif ne provoque pas la recompilation globale. C'est beaucoup plus rapide pour tester des contenus de mémoire et pour mettre au point. Lors de la rédaction des correction, l'auteur n'a pas utilisé cette option.
Présentation de la lpm_rom
modifierPour les utiliser, il ne pas oublier les lignes
LIBRARY lpm;
USE lpm.lpm_components.ALL;
devant toute entité qui utilise ces mémoires.
L'idée générale est de remplir une ROM à l'aide d'un fichier extérieur. Son format est appelé MIF et il s'agit d'un fichier texte qui peut donc être fabriqué à la main quand la mémoire est de petite taille, ce qui est justement ce qui nous intéresse ici. Voici un fichier MIF d'exemple :
DEPTH = 16; WIDTH = 8; ADDRESS_RADIX = HEX; DATA_RADIX = HEX; CONTENT BEGIN [0..0f] : 0; 0000 : 40; 0001 : ??; 0002 : ??; 0003 : ??; 0004 : ??; 0005 : ??; 0006 : ??; 0007 : ??; 0008 : 00; 0009 : 10; 000a : 08; 000b : 03; 000c : 46; 000d : 21; 000e : 06; 000f : 0e; END;
Si vous voulez utiliser cet exemple, il faut naturellement remplacer les ?? par des valeurs à calculer.
L'instanciation peut se faire par
ic3 : lpm_rom GENERIC MAP (
LPM_ADDRESS_CONTROL => "UNREGISTERED",
--LPM_OUTDATA => "UNREGISTERED",
LPM_FILE => "TP6exo2.mif",
LPM_WIDTH => 8,
LPM_WIDTHAD => 4)
PORT MAP (
-- inclock => clock_50,
outclock => clock_50,
address => s_transcod0,
q(6 downto 0) => hex0
);
Tout ceci sera mis dans l'architecture après le begin.
Exercice 2 Travail à réaliser (VHDL)
modifier
Calculer les valeurs hexadécimales contenues dans cette ROM pour réaliser le transcodage qui convient.
Reprendre le diviseur de fréquence par 2**24.
Assembler le tout.
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Indications : Partez du programme ci-dessous en complétant tous les points d'interrogations et les entités et architecture de ce qui manque, à savoir le compteur 24 bits et le compteur 4 bits. library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
-- pour la mémoire
LIBRARY lpm;
USE lpm.lpm_components.ALL;
entity top is port(
clock_50 : in std_logic;
hex0 : out std_logic_vector(6 downto 0));
end top;
architecture arch_top of top is
COMPONENT cmpt4bits IS
PORT(clk : IN STD_LOGIC;
Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END COMPONENT;
COMPONENT cmpt24bits IS
PORT(clk_50MHz : IN STD_LOGIC;
clk_slow : OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;
SIGNAL s_clk_slow : std_logic;
SIGNAL s_transcod : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
lent: cmpt24bits port map(
clk_50MHz => ????,
clk_slow => ???);
cmpt: cmpt4bits port map(
clk => ????,
Q => s_transcod);
ic3 : lpm_rom GENERIC MAP (
LPM_ADDRESS_CONTROL => "UNREGISTERED",
LPM_FILE => "TP6exo2.mif",
LPM_WIDTH => 8,
LPM_WIDTHAD => 4)
PORT MAP (
outclock => clock_50,
address => s_transcod,
q(6 downto 0) => hex0
);
end arch_top;
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Exercice 3 : Texte défilant
modifierDonner le contenu de la RAM pour afficher le texte : "bonjour A touS" qui défile sur un afficheur.
Réaliser l'ensemble et tester. Faire constater.
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Indication : Il n'y a que très peu de choses à changer par rapport à l'exercice 2. |
Exercice 4 : Chenillard sur LEDs
modifier
1°) On reprend l'exercice précédent mais on sort maintenant sur 8 LEDs (schéma ci-contre). On vous demande de réaliser un chenillard aller et retour. Il faut donc changer le fichier csv et le contenu de la lpm_rom à l'aide du fichier MIF correspondant.
2°) DS 2014. Modifier seulement le contenu de la ROM pour réaliser le chenillard présenté dans le schéma. Faire constater.
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Indication : on utilisera encore une lpm_rom et non une RAM16X8 (Xilinx). |
Autre méthode pour utiliser des RAMs
modifierSi vous voulez que votre outil de synthèse infère une RAM/ROM il vous faut écrire votre RAM/ROM avec un style spécifique. Nous présentons ici un exemple sur lequel nous nous appuierons dans la suite : ROM avec sortie Registered
--
-- ROMs Using Block RAM Resources.
-- VHDL code for a ROM with registered output (template 1)
--
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity rams_21a is
port (clk : in std_logic;
en : in std_logic;
addr : in std_logic_vector(5 downto 0);
data : out std_logic_vector(19 downto 0));
end rams_21a;
architecture syn of rams_21a is
type rom_type is array (63 downto 0) of std_logic_vector (19 downto 0);
signal ROM : rom_type:=
(X"0200A", X"00300", X"08101", X"04000", X"08601", X"0233A",
X"00300", X"08602", X"02310", X"0203B", X"08300", X"04002",
X"08201", X"00500", X"04001", X"02500", X"00340", X"00241",
X"04002", X"08300", X"08201", X"00500", X"08101", X"00602",
X"04003", X"0241E", X"00301", X"00102", X"02122", X"02021",
X"00301", X"00102", X"02222", X"04001", X"00342", X"0232B",
X"00900", X"00302", X"00102", X"04002", X"00900", X"08201",
X"02023", X"00303", X"02433", X"00301", X"04004", X"00301",
X"00102", X"02137", X"02036", X"00301", X"00102", X"02237",
X"04004", X"00304", X"04040", X"02500", X"02500", X"02500",
X"0030D", X"02341", X"08201", X"0400D");
begin
process (clk)
begin
if (clk'event and clk = '1') then
if (en = '1') then
data <= ROM(conv_integer(addr));
end if;
end if;
end process;
end syn;
Exercice 5 : Travail à réaliser
modifier
1°) En partant de l'exercice 2, on vous demande de modifier toute la partie mémoire : on n'utilisera plus la LPM_ROM mais une ROM décrite en VHDL comme ci-dessus. Assembler le tout, vérifier.
2°) En partant de l'exercice 3, on vous demande de modifier toute la partie mémoire : on n'utilisera plus la LPM_ROM mais une ROM décrite en VHDL comme ci-dessus. Assembler le tout, vérifier.
3°) Pouvez-vous imaginer une architecture qui fasse défiler le texte sur 6 digits.
Exercice 6 : Barregraphe sur LEDs
modifierOn désire afficher une valeur de 0 (tout éteint) à 8 (tout allumé) sur les 8 LEDs. Toute valeur supérieure à 8 affichera 8 (effet de saturation).
- Expliquer quel type de mémoire doit-on choisir.
- Calculer son contenu et tester avec le même schéma que exo2.
- Implanter et tester en prenant un compteur qui compte de 0 à 8 seulement.
- On complique maintenant le compteur. Il devient un compteur/décompteur.
Solutions générales du TP 6
modifierNous mettons ici un lien vers les corrigés qui se trouvent sur le WIKI de l'IUT de Troyes. Comme ces TPs sont effectivement réalisés par les étudiants de GEII, les solutions en question ne sont accessibles qu'en accès réservé sur une partie de l'année. Essayez le lien, il est librement accessible une quarantaine de semaines dans l'année voire plus si le TP est abandonné :
Si l'accès vous est refusé, patientez et revenez quelques semaines plus tard.
La solution présentée ici utilise une lpm_rom.
Il y a plusieurs solutions possibles :
- ne pas garder les transcodeurs et sortir directement sur les afficheurs 7 segments. Cela nécessite une mémoire de 48 bits de large (6 afficheurs x 8 bits)
- garder l'idée des transcodeurs en changeant leur contenu.
Voici le contenu d'une ROM 16x48 pour faire défiler le texte :
DEPTH = 16; WIDTH = 48; ADDRESS_RADIX = HEX; DATA_RADIX = HEX; CONTENT BEGIN [0..0f] : 0; 0000 : ffffffffff83; 0001 : ffffffff83a3; 0002 : ffffff83a3ab; 0003 : ffff83a3abf1; 0004 : ff83a3abf1a3; 0005 : 83a3abf1a3e3; 0006 : a3abf1a3e3af; 0007 : abf1a3e3afff; 0008 : f1a3e3afff88; 0009 : a3e3afff88ff; 000a : e3afff88ff87; 000b : afff88ff87a3; 000c : ff88ff87a3e3; 000d : 88ff87a3e312; 000e : bfbfbfbfbfbf; 000f : bfbfbfbfbfbf; END;
Si vous voulez vérifier que vos données sont bien en mémoire, vous pouvez alors lire le rapport de compilation (Compilation report) et trouver une ligne comme :
Total memory bits 768 / 1,677,312 ( < 1 % )
Et voici maintenant le code source VHDL :
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
-- for memory
LIBRARY lpm;
USE lpm.lpm_components.ALL;
--LIBRARY altera_mf;
--USE altera_mf.altera_mf_components.all;
ENTITY tp0 IS PORT(
clock_50 : in std_logic;
sw0 : in std_logic;
hex5,hex4,hex3,hex2,hex1,hex0 : out std_logic_vector(7 downto 0));
END tp0;
ARCHITECTURE arch of tp0 IS
COMPONENT cmpt24bits IS
PORT(clk_50MHz : IN STD_LOGIC;
clk_slow : OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT cmpt24bits;
COMPONENT cmpt4bits IS
PORT(clock : IN STD_LOGIC;
cnt : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END COMPONENT cmpt4bits;
SIGNAL s_clk_slow : std_LOGIC;
SIGNAL s_addr : std_logic_vector(3 downto 0);
SIGNAL s_eno : std_logic;
BEGIN
ic1: cmpt24bits PORT MAP (clk_50MHz => clock_50,
clk_slow => s_clk_slow);
ic2: cmpt4bits port map(
Clock => s_clk_slow,
cnt => s_addr);
ic3 : lpm_rom GENERIC MAP (
LPM_ADDRESS_CONTROL => "UNREGISTERED",
--LPM_OUTDATA => "UNREGISTERED",
LPM_FILE => "TP6exo5.mif",
LPM_WIDTH => 48,
LPM_WIDTHAD => 4)
PORT MAP (
-- inclock => clock_50,
outclock => clock_50,
address => s_addr,
q(7 downto 0) => hex0,
q(15 downto 8) => hex1,
q(23 downto 16) => hex2,
q(31 downto 24) => hex3,
q(39 downto 32) => hex4,
q(47 downto 40) => hex5
);
END arch;
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY cmpt24bits IS
PORT(clk_50MHz : IN STD_LOGIC;
clk_slow : OUT STD_LOGIC);
END cmpt24bits;
ARCHITECTURE acmpt24bits OF cmpt24bits IS
signal cmpt : std_logic_vector(23 downto 0);
BEGIN
process(clk_50MHz) begin
if rising_edge(clk_50MHz) then
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end process;
clk_slow <= cmpt(23);
END acmpt24bits;
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY cmpt4bits IS
PORT(clock : IN STD_LOGIC;
cnt : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END cmpt4bits;
ARCHITECTURE arch_cmpt4bits OF cmpt4bits IS
signal cmpt : std_logic_vector(3 downto 0);
BEGIN
process(clock) begin
if rising_edge(clock) then
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end process;
cnt <= cmpt;
END arch_cmpt4bits;
Utilisation Basys2 avec ADEPT sous Linux
modifierEn principe, avec les versions modernes de l'ISE, c'est IMPACT qui se chargera de télécharger dans le FPGA. Si vous rencontrez des problèmes de téléchargement, ADEPT peut être utilisé en ligne de commande.
On utilisera la carte Basys 2 avec un SPARTAN 3E 250 (xc3s250e) dans un boîtier CP132.
- Commandes ADEPT et ISE
Detection djtgcfg enum
donne Basys2 come usernameTéléchargement djtgcfg prog -d Basys2 --index 0 --file toto.bit <<<y
Lancement ISE /opt/Xilinx/14.5/ISE_DS/ISE/bin/lin/ise &
TP1 - Des Tables de vérité et VHDL aux simplifications (3 heures)
modifierL'objectif de ce TP est de montrer qu'avec un FPGA la connaissance d'une table de vérité suffit pour réaliser un programme VHDL (sans les simplifier). Cependant, pour vous faire travailler les tableaux de Karnaugh, on vous demandera parfois de trouver les équations et de les implanter. À la fin de ce TP, vous serez capable
- d'établir une table de vérité
- d'en déduire immédiatement le programme VHDL correspondant
- ou de la transformer à l'aide d'un tableau de Karnaugh en une équation simplifiée et de l'implanter en VHDL
Tous ces allers et retours entre toutes ces formes (Table de vérité, Tableau de Karnaugh, équations) sont la base de l'apprentissage.
Un exemple simple pour comprendre l'IDE Xilinx
modifierVous allez réaliser un simple OU en suivant un exemple complet réalisé par votre enseignant. L'objectif est d'apprendre :
- à réaliser un fichier VHDL, le sauver et l'ajouter au projet
- à réaliser un fichier de contrainte pour choisir les entrées et sorties, et l'ajouter au projet
- à compiler
- à charger le fichier dans votre FPGA avec IMPACT ou ADEPT
Voici les fichiers VHDL utilisés :
- à partir d'une table de vérité
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
ENTITY ou IS
PORT(e0,e1 : IN std_logic;
s : OUT std_logic);
END ou;
ARCHITECTURE arch_ou OF ou IS
SIGNAL entrees : std_logic_vector(1 downto 0);
BEGIN
entrees <= e1 & e0;
WITH entrees SELECT
s <= '1' WHEN "01" | "10" | "11",
'0' WHEN OTHERS;
END arch_ou;
- à partir d'une équation
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
ENTITY ou IS
PORT(e0,e1 : IN std_logic;
s : OUT std_logic);
END ou;
ARCHITECTURE arch_ou OF ou IS
BEGIN
s <= e0 OR e1;
END arch_ou;
Modifier cet exemple pour ajouter une sortie qui réalise un ET.
Fichier ucf utile pour Basys 2
modifierPour éviter de chercher nous donnons quelques contenus du fichier ucf :
# Pin assignment for SWs NET "sw7" LOC = "N3"; # Bank = 2, Signal name = SW7 NET "sw6" LOC = "E2"; # Bank = 3, Signal name = SW6 NET "sw5" LOC = "F3"; # Bank = 3, Signal name = SW5 NET "sw4" LOC = "G3"; # Bank = 3, Signal name = SW4 NET "sw3" LOC = "B4"; # Bank = 3, Signal name = SW3 NET "sw2" LOC = "K3"; # Bank = 3, Signal name = SW2 NET "sw1" LOC = "L3"; # Bank = 3, Signal name = SW1 NET "sw0" LOC = "P11"; # Bank = 2, Signal name = SW0 # Pin assignment for LEDs NET "Led7" LOC = "G1" ; # Bank = 3, Signal name = LD7 NET "Led6" LOC = "P4" ; # Bank = 2, Signal name = LD6 NET "Led5" LOC = "N4" ; # Bank = 2, Signal name = LD5 NET "Led4" LOC = "N5" ; # Bank = 2, Signal name = LD4 NET "Led3" LOC = "P6" ; # Bank = 2, Signal name = LD3 NET "Led2" LOC = "P7" ; # Bank = 3, Signal name = LD2 NET "Led1" LOC = "M11" ; # Bank = 2, Signal name = LD1 NET "Led0" LOC = "M5" ; # Bank = 2, Signal name = LD0
Exercice 1 : Analyse d'un schéma simple puis synthèse équivalente
modifier On donne le schéma ci-contre.
1°) Plot the corresponding function in the truth table below and in the Karnaugh map. Find the simplified sum of product expression of s=f(e0,e1,e2).
- Table de vérité
Entrées Sorties e2 e1 e0 a b s 0 0 0 ? ? ? 0 0 1 ? ? ? 0 1 0 ? ? ? 0 1 1 ? ? ? 1 0 0 ? ? ? 1 0 1 ? ? ? 1 1 0 ? ? ? 1 1 1 ? ? ?
Remarque : a et b ne sont pas à proprement parler des sorties. Il s'agit de fils intermédiaires, mais il faut les calculer pour avoir s.
2°) Realize the corresponding simplified expression as a VHDL program with an equation.
3°) Realize the corresponding boolean function as a VHDL program with a with select when.
Exercice 2 (Vote au directoire)
modifierLe comité directeur d’une entreprise est constitué de quatre membres :
- le directeur D,
- ses trois adjoints A, B, C.
Lors des réunions, les décisions sont prises à la majorité.
Chaque personne dispose d’un interrupteur pour voter sur lequel elle appuie en cas d’accord avec le projet soumis au vote. En cas d'égalité du nombre de voix, celle du directeur compte double.
On vous demande de réaliser un dispositif logique permettant l’affichage du résultat du vote sur lampe V (pour nous ce sera une LED).
1°) Écrire une table de vérité pour la sortie V puis un tableau de Karnaugh
2°) Réaliser le programme VHDL pour la sortie V avec un with select when (autrement dit à partir de la table de vérité).
3°) Réaliser le programme VHDL pour la sortie V avec une équation (si possible simplifiée avec un tableau de Karnaugh).
Exercice 3 (Vote au directoire amélioré)
modifierUne société est composée de 4 actionnaires ayant les nombres suivants d'actions A=60, B=100, C=160 et D=180.
Nous désirons construire une machine à voter automatiquement, tenant compte dans le résultat du poids en actions de chaque personne. La machine dispose de 4 boutons poussoirs A, B, C, D et le résultat sera un voyant V qui s'allumera si la majorité pondérée appuie sur les boutons.
1°) Écrire une table de vérité pour la sortie V. Réaliser le programme VHDL correspondant et vérifier que vous avez la bonne table de vérité.
2°) Réaliser le programme VHDL avec un with select when. Remarquez l'apparition d'un WARNING.
3°) Pour comprendre le WARNING de la question précédente, on vous demande de trouver l'équation simplifiée. En l'examinant vous comprendrez quel est le problème. Puis réaliser le programme VHDL avec une équation logique pour la sortie V en supprimant le WARNING.
TP2 - Des tables de vérités aux LUT4 (en VHDL)
modifierLes LUT4 sont aux FPGA ce que les portes logiques sont aux schémas : des briques de base à assembler. Les portes logiques sont figées mais vous pouvez choisir celles qui vous intéressent. Pour les LUT4, ce sont des composants à 4 entrées qui sont universels : ils peuvent réaliser n'importe quelle fonction logique.
Des tables de vérité à l'hexadécimal (cours sur LUTs)
modifierUne table de vérité de trois entrées peut être représentée par un nombre 8 bits que l'on convertit en hexadécimal. Soit donc la table de vérité suivante (trois entrées notées e0, e1 et e2, une sortie notée s) :
- Table de vérité
Entrées Sorties bits e2 e1 e0 s 0 0 0 0 b0 0 0 1 1 b1 0 1 0 1 b2 0 1 1 0 b3 1 0 0 1 b4 1 0 1 0 b5 1 1 0 1 b6 1 1 1 0 b7
Vous pouvez synthétiser la table de vérité à l'aide d'un seul nombre sur 8 bit (poids faible en haut) :
- en binaire ce nombre vaut : 0b01010110
- en hexadécimal ce nombre vaut : 0x56 (X"56" en VHDL)
La valeur hexadécimale 56 est la valeur qu'il vous faudra utiliser dans la partie INIT d'une (catégorie) LUT qu'il faudra câbler.
Combien de bits nécessite l'initialisation d'une lut4 à 4 entrées ? Combien de chiffres hexadécimaux ?
Utiliser des LUTs en VHDL
modifierUn exemple est donné maintenant :
library IEEE; -- transodeur binaire -> 7 segments
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
library unisim;
use unisim.vcomponents.all;
ENTITY transcodeur IS PORT(
e : in STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -- 4 entrées
s : out STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0)); -- 7 sorties
END transcodeur;
ARCHITECTURE atranscodeur OF transcodeur IS BEGIN
i1 : LUT4
generic map (INIT => X"EAAA")
port map( I0 => e(0),
I1 => e(1),
I2 => e(2),
I3 => e(3),
O => s(0) );
.....
Cet exemple vous montre comment on câble une LUT4 en VHDL (port map) et comment on l'initialise (generic map). Le câblage de ce composant est correct mais pas son initialisation puisqu'on vous demande de la calculer plus loin.
Les deux lignes library ... et use ... sont à ajouter avant toute entité qui utilise une LUT en plus bien sûr de "library ieee;".
Multiplieur de deux nombres de 2 bits
modifierExercise 1 (English)
modifierDesign and build a combinational logic circuit with four inputs and four outputs that multiplies two 2-bits numbers, labeled X, and Y. The output is labeled Z. Use a truth table and find out the corresponding with select when.
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity multiplier is
port ( X,Y: in STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); -- binary inputs
Z : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)); -- binary output
end multiplier;
1°) Realize this boolean function with a "WITH SELECT WHEN"
2°) Then, realize the same function with four LUT4
Transcodeur binaire 7 segments
modifierLire Afficheur 7 segments.
On va réaliser un transcodeur binaire décimal vers un afficheur 7 segments. L'objectif de ce TP est d'utiliser toutes les techniques classiques de synthèse combinatoire.
Présentation du sujet
modifierUn schéma présente de manière symbolique ce que l'on cherche à faire.
sel est choisi à 0 pour sélectionner l'afficheur de gauche. La valeur binaire (de 0 à F) choisie sur les interrupteurs est convertie pour être affichée comme ci-contre.
Le fichier ucf pour les afficheurs 7 segments est présenté maintenant :
# Pin assignment for DispCtl # Connected to Basys2 onBoard 7seg display NET "seg<0>" LOC = "L14"; # Bank = 1, Signal name = CA NET "seg<1>" LOC = "H12"; # Bank = 1, Signal name = CB NET "seg<2>" LOC = "N14"; # Bank = 1, Signal name = CC NET "seg<3>" LOC = "N11"; # Bank = 2, Signal name = CD NET "seg<4>" LOC = "P12"; # Bank = 2, Signal name = CE NET "seg<5>" LOC = "L13"; # Bank = 1, Signal name = CF NET "seg<6>" LOC = "M12"; # Bank = 1, Signal name = CG NET "dp" LOC = "N13"; # Bank = 1, Signal name = DP NET "an<3>" LOC = "K14"; # Bank = 1, Signal name = AN3 NET "an<2>" LOC = "M13"; # Bank = 1, Signal name = AN2 NET "an<1>" LOC = "J12"; # Bank = 1, Signal name = AN1 NET "an<0>" LOC = "F12"; # Bank = 1, Signal name = AN0
Exercice 2 : Transcodeur hexadécimal vers sept segments et « with select when »
modifier1°) First complete the truth table below. Read the first line carefully before starting.
- Table de vérité
Entrées Sorties sw3 sw2 sw1 sw0 a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
2°) Realize this truth table as circuit in VHDL (style "with select when").
3°) Faire la même réalisation en utilisant des LUT4.
Il serait bon de mettre de côté un programme solution de la question 2° ou celle de l'équation 3°. Vous en aurez besoin plus tard.
Exercice 3 : Transcodeur pour dé
modifier 1°) Réaliser le transcodeur ci-contre avec les LEDs présentes sur la carte FPGA en utilisant un with select when. Ce que vous avez à réaliser est donc un circuit qui comporte 3 interrupteurs en entrée et 7 leds en sortie (voir schéma ci-contre).
2°) Faire le même travail avec 7 LUT4.
3°) En gardant ce que vous avez fait en question 2°, on vous demande d'y ajouter un affichage sur les sept segments en utilisant le programme de la question 2° ou 3° de l'exercice précédent (que l'on vous avez demandé de mettre de côté).
Malheureusement les tests ne seront pas facilités puisque les leds utilisées sont alignées... mais l'esprit humain peut contourner ce genre de détail.
TP3 Arithmétique, comparateurs et multiplexeurs
modifierL'arithmétique consiste à implanter des fonctions de base de l'arithmétique, c'est-à-dire addition, soustraction et multiplication. L'utilisation de l'arithmétique dans un FPGA doit suivre ses propres règles. Nous allons commencer par examiner l'addition, d'abord sans se préoccuper du fait que l'on utilise un FPGA, puis on cherchera à utiliser les composants Xilinx.
Du demi-additionneur à l'additionneur 1 bit
modifierLire Additionneur dans Wikipédia.
Exercice 1
modifier1) Implanter un additionneur 1 bit avec deux LUTs. Pour les tests, les entrées seront reliées à des interrupteurs et les sorties à des LEDs.
2) Réaliser 4 fois le schéma précédent et montrer que l'on peut réaliser ainsi un additionneur 4 bits. N'oubliez pas que la somme de deux nombres de 4 bits peut donner un nombre de 5 bits. (Lire additionneur parallèle à propagation de retenue)
Additionneur 4 bits
modifierAprès avoir réalisé un additionneur 4 bits, on vous propose l'exercice ci-dessous. L'additionneur 4 bits est nommé 7483 dans le schéma.
Exercice 2 (transcodeur BCD vers EXCESS- 3)
modifier Code converter is a combinational circuit that translates the input code word into a new corresponding word. The excess-3 code digit is obtained by adding three to the corresponding BCD digit. To Construct a BCD-to-excess-3-code converter with a 4-bit adder feed BCD-code to the 4-bit adder as the first operand and then feed constant 3 as the second operand. The output is the corresponding excess-3 code.
Realize this circuit diagram in VHDL.
Indications :
- Un transcodeur comme celui demandé peut être réalisé avec 4 LUT4. Mais remarquez que celui qui est proposé dans le schéma est bidirectionnel.
- On pourrait utiliser le code ci-dessous pour l'additionneur 4 bits en lieu et place de celui qu'on a réalisé dans l'exercice 1 :
-- addition sur 4 bits
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_arith.all;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.all;
ENTITY add4 IS
PORT (a,b : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
Cin : IN STD_LOGIC; --retenue précédente
s : OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0)); --retenue en s(4)
END add4;
ARCHITECTURE arch_add4 OF add4 IS
BEGIN
-- ne pas confondre + avec OR
s <= conv_std_logic_vector((conv_integer(a) + conv_integer(b) + conv_integer(Cin)),5);
END arch_add4;
mais on vous demande plutôt d'utiliser la hiérarchie de l'exercice 1 pour obtenir une hiérarchie sur 3 niveau : le transcodeur qui contient un additionneur 4 bits qui contient 4 additionneurs 1 bit.
- La table de vérité du code excess-3 est :
- Table de vérité du code EXCESS-3
Entrées Sorties B3 B2 B1 B0 E3 E2 E1 E0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 Φ Φ Φ Φ 1 0 1 1 Φ Φ Φ Φ 1 1 0 0 Φ Φ Φ Φ 1 1 0 1 Φ Φ Φ Φ 1 1 1 0 Φ Φ Φ Φ 1 1 1 1 Φ Φ Φ Φ
Exercice 3
modifier Première partie
modifierRéaliser une comparaison seule (figure ci-contre en remplaçant le "neuf" par des interrupteurs). Réaliser le fichier ucf pour utiliser sw7 ... sw0 en entrée et led0 en sortie (pour GT seulement). Tester.
Indication : Le comparateur COMPM4 présent dans cet exercice peut être réalisé par le code VHDL :
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity COMPM4_exo3 is
port(
GT : out std_logic;
LT : out std_logic;
A0 : in std_logic;
A1 : in std_logic;
A2 : in std_logic;
A3 : in std_logic;
B0 : in std_logic;
B1 : in std_logic;
B2 : in std_logic;
B3 : in std_logic
);
end COMPM4_exo3;
architecture COMPM4_exo3_V of COMPM4_exo3 is
signal a_tmp: std_logic_vector(3 downto 0);
signal b_tmp: std_logic_vector(3 downto 0);
begin
a_tmp <= A3&A2&A1&A0;
b_tmp <= B3&B2&B1&B0;
GT <= '1' when (a_tmp > b_tmp ) else '0';
LT <= '1' when (a_tmp < b_tmp ) else '0';
end COMPM4_exo3_V;
----- CELL CB4CE_HXILINX_chenillard -----
Pour bien comprendre ce code, il vous est demandé de remplacer les entrées par deux entrées a et b en std_logic_vector( 3 downto 0)
Deuxième partie
modifierPuis fixer les entrées Bi à 9 pour en faire une fonction de 4 entrées A3,A2,A1,A0 comme dans la figure. Remplir une table de vérité puis un tableau de Karnaugh.
- Table de vérité du comparateur à 9
Entrées Sorties A3 A2 A1 A0 GT 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
| S | A1 A0 | 00 | 01 | 11 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|
| A3 A2 | |||||
| 00 | |||||
| 01 | |||||
| 11 | |||||
| 10 |
1°) Déduire de la table de vérité une LUT4 réalisant l'ensemble. La câbler puis l'essayer dans le FPGA. Faire constater à l'enseignant.
2°) Déduire du tableau de Karnaugh une équation simplifiée que l'on implantera en VHDL.
Exercice 4 : additionneur complet (1 bit) et multiplexeur
modifierImplement a full 1-bit adder
(a) using two 8-to-1 MUXes. Connect X,Y, and Cin in to the control inputs of the MUXes and connect 1 or 0 to each data input.
(b) using two 4-to-1 MUXes and one inverter. Connect X and Y to the control inputs of the MUXes, and connect 1’s, 0’s, Cin in , or Cin′ in to each data input.
(c) again using two 4-to-1 MUXes, but this time connect Cin in and Y to the control inputs of the MUXes, and connect 1’s, 0’s, X, or X′ to each data input. Note that in this fashion, any N-variable logic function may be implemented using a 2 (N−1) to-1 MUX.
Indication
modifierCe travail nécessite de réaliser un assemblage de circuits donc se fait avec des PORT MAP.
Voici le code de départ d'un multiplexeur 8 vers 1.
-- description du multiplexeur
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity mux8 is port (
sel: in std_logic_vector(2 downto 0);
e : in std_logic_vector(7 downto 0);
s : out std_logic
);
end entity mux8;
architecture behavior of mux8 is
begin
with sel select
s <= e(0) when "000",
e(1) when "001",
e(2) when "010",
e(3) when "011",
e(4) when "100",
e(5) when "101",
e(6) when "110",
e(7) when others;
end behavior;
TP4 Introduction au séquentiel (3 heures)
modifierBesoin d'une horloge pour dépasser le combinatoire
modifierLes compteurs permettent de diminuer la fréquence d'horloge.
Exercice 1
modifierVous disposez d'une horloge 50MHz en broche "B8" de votre composant FPGA SPARTAN 3E. Réaliser à l'aide d'un compteur 24 bits une horloge d'environ 3 Hz. Sortie sur une LED, le clignotement de celle-ci doit être visible à l'œil.
Indications
- Un exemple de compteur est donné ci-dessous. Il s'agit d'un compteur 8 bits. Vous devez donc l'adapter pour l'exercice 1 :
- Changer le nom de l'entité, cmpt8bits ne correspondra plus à la fonction réalisée. cmpt24bits serait plus adapté
- diminuer la taille de la sortie qui passe de 8 bits à un bit et l'appeler clk_slow par exemple
- augmenter la taille du compteur qui passe de 8 bits à 24 bits
- changer la toute dernière équation
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY cmpt8bits IS
PORT(clk : IN STD_LOGIC;
cnt : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));
END cmpt8bits;
ARCHITECTURE arch_cmpt8bits OF cmpt8bits IS
signal cmpt : std_logic_vector(7 downto 0);
BEGIN
process(clk) begin
if rising_edge(clk) then
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end process;
cnt <= cmpt;
END arch_cmpt8bits;
- Le fichier ucf est :
# clock pin for Basys2 Board NET "clk" LOC = "B8"; # Bank = 0, Signal name = MCLK ### NET "clk_slow" CLOCK_DEDICATED_ROUTE = FALSE;
L'horloge que l'on vient de réaliser sera utilisée presque systématiquement par la suite. Il faut donc sauvegarder à tout prix ce fichier source.
Par abus de langage on appellera compteur dans la suite un élément séquentiel qui comporte une horloge mais qui ne compte pas forcément en binaire. Dans ce dernier cas, son équation de récurrence ne peut donc pas s'écrire simplement à l'aide d'une addition.
Réaliser un graphe d'évolution simple
modifierAvant toute chose, il nous faut nous demander comment utiliser des équations de récurrences booléennes. On vous représente ci-après la façon de procéder :
- trouver le diagramme d'évolution
- en déduire le tableau état présent/état futur
- en déduire les équations en utilisant éventuellement un tableau de Karnaugh
Lisez Des diagrammes d'évolutions aux équations de récurrences pour la partie théorique. Vous y trouverez les équations de récurrences nécessaires à la réalisation de l'exercice 2.
Exercice 2
modifier 1°) Realize the system specified above with a state diagram. The clock is, as usual, "clk_slow" (see l'exercise 1). Add two LEDs as outputs to be able to check your VHDL program.
2°) Design a modulo-4 counter with an input D, for Down. When D is not asserted, the counter counts up, modulo-4. When D is asserted (1), the counter counts down, modulo-4. Draw a state diagram to implement it and derive the state table. Then design a complete sequential circuit using VHDL. Please use a 7 segments display to check your VHDL code.
Indication : Si vous voulez avoir une chance de voir les LEDs défiler, vous devez utiliser le compteur de l'exercice 1 pour faire une horloge lente et l'utiliser comme entrée horloge de ce qui vous est demandé. Il y a donc du PORT MAP dans l'air.
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY cmpt_exo2 IS PORT (
clk: IN std_logic;
q0,q1: OUT std_logic);
END cmpt_exo2;
ARCHITECTURE arch_cmpt_exo2 OF cmpt_exo2 IS
SIGNAL q1q0 : std_logic_vector(1 downto 0);
BEGIN
PROCESS (clk) BEGIN -- ou cmpt:PROCESS (clk) BEGIN
IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
q1q0(0) <= NOT q1q0(0);
-- add the second equation here
END IF;
END PROCESS;
-- mise à jour des sorties
q0 <= q1q0(0);
q1 <= q1q0(1);
END arch_cmpt_exo2;
Compteur décimal à sortie directe sept segments (1 digit en VHDL)
modifierLe compteur sept segments est réalisé en VHDL et sera assemblé avec le dispositif destiné à réaliser l'horloge lente : compteur 24 bits de l'exercice 1.
Exercice 3
modifier1°) Écrire les équations logiques a+, b+, c+, d+ ,e+, f+, g+ en fonction des entrées a, b, c, d, e, f, g. Implanter en VHDL.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK_lent : IN STD_LOGIC;
a,b,c,d,e,f,g : OUT STD_LOGIC);
-- ou alors : s7segs : out std_logic_vector(6 downto 0));
END cmpt7seg;
Il nous reste un problème important à résoudre, c'est l'initialisation. En effet pour bien faire il faudrait étudier les 127-10=117 états restants pour voir comment ils se connectent sur notre cycle. C'est un travail important qu'il est impossible de réaliser à moins d'y passer 117 soirées (à raison d'une transition par soirée) soit presque 4 mois !!!
Pour éviter cela on va prévoir une entrée d'initialisation appelée Init au cas où à la mise sous tension on se trouve dans un état non prévu. Cette entrée fonctionnera de manière synchrone, lorsqu'elle sera à 1 un front d'horloge provoquera l'affichage du 0 en sortie du compteur.
2°) Écrire maintenant les équations de récurrence trouvées en 1°) en ajoutant convenablement l'entrée Init.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK_lent, Init : IN STD_LOGIC;
a,b,c,d,e,f,g : OUT STD_LOGIC);
-- ou alors : s7segs : out std_logic_vector(6 downto 0));
END cmpt7seg;
Exercice 4
modifierRefaire le même travail que l'exo4 en utilisant un case when et toujours "clk_slow" comme horloge.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK_lent : IN STD_LOGIC;
s_7segs : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));
END cmpt7seg;
Remarquez l'utilisation du STD_LOGIC_VECTOR au lieu des sorties individuelles. Le fait qu'il soit en OUT implique que l'on utilisera un signal interne pour les "CASE".
Indication : Implanter un diagramme d'évolution en VHDL peut se faire de manière systématique :
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library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY demo IS PORT(
clock : IN std_logic;
q : OUT std_logic_VECTOR(1 DOWNTO 0));
END demo;
ARCHITECTURE mydemo OF demo IS
SIGNAL q1q0 : std_logic_vector(1 downto 0);
BEGIN
PROCESS(clock) BEGIN
IF clock'EVENT AND clock='1' THEN
CASE q1q0 IS --style case when
WHEN "00" => q1q0 <="01";
WHEN "01" => q1q0 <="10";
WHEN "10" => q1q0 <="11";
WHEN OTHERS => q1q0 <="00" ;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
q <= q1q0;
END mydemo;
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TP5 M1102 : VHDL et Compteurs
modifierExercice 1
modifierCet exercice ne sera réalisé que par les étudiants qui ne sont pas allés jusqu'au bout du TP 4.
Nous vous donnons deux composants VHDL et on vous demande d'en réaliser un assemblage.
On vous donne les deux composants VHDL suivants. On vous demande de les assembler (en complétant les transitions de « cmpt7seg » ) dans un programme TOP.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY cmpt24bits IS
PORT(clk_50MHz : IN STD_LOGIC;
clk_slow : OUT STD_LOGIC);
END cmpt24bits;
ARCHITECTURE acmpt24bits OF cmpt24bits IS
signal cmpt : std_logic_vector(23 downto 0);
BEGIN
process(clk_50MHz) begin
if rising_edge(clk_50MHz) then
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end process;
clk_slow <= cmpt(23);
END acmpt24bits;
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY cmpt7seg IS
PORT(CLK : IN STD_LOGIC;
s_7segs : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));
END cmpt7seg;
ARCHITECTURE arch OF cmpt7seg IS -- comment éviter les equations
SIGNAL s7segs : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(clk) BEGIN
IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
CASE s7segs is --style case when
WHEN "0000001" => s7segs <="???????"; -- première transition
WHEN "1001111" => s7segs <="???????"; -- deuxieme transition
WHEN "0010010" => s7segs <="???????"; -- troisième transition
WHEN "0000110" => s7segs <="???????";
WHEN "1001100" => s7segs <="???????";
WHEN "0100100" => s7segs <="???????";
WHEN "0100000" => s7segs <="???????";
WHEN "0001111" => s7segs <="???????";
WHEN "0000000" => s7segs <="???????";
WHEN OTHERS => s7segs <="0000001"; -- dernière transition
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
s_7segs <=s7segs;
END arch;
Nous allons reprendre le problème du compteur sept segments mais de façon plus normale.
Compteur à sortie sept segments sur deux digits en VHDL
modifierCette partie doit être réalisée avec les afficheurs sept segments reliés à la carte.
Nous allons réaliser cet exercice en plusieurs étapes.
Exercice 2
modifierNous désirons implanter un ensemble composé d'un compteur 8 bits et sortant sa valeur sur deux afficheurs sept segments ( affichage de 00 à FF)...
Attention, le poids faible doit être à droite !!!
1°) Réaliser d'abord un compteur simple 8 bit associé à une division par 2**24 et sortant directement sur des LEDs. La seule entrée est clk qui se trouve en "B8" sur le FPGA. Les 8 sorties sont reliées aux 8 LEDs de la carte. Remarquez que le seul compteur qui nous intéresse est le compteur 8 bits de droite, l'autre étant là pour ralentir l'horloge.
2°) Réaliser maintenant l'affichage des 4 bits de poids faibles sur un seul afficheur.
3°) Réaliser maintenant l'affichage des 8 bits du compteur sur deux afficheurs. La figure donne en principe ce que l'on cherche à faire et l'idéal serait de la comprendre.
Indications :
- Vous devriez avoir sauvegardé depuis longtemps le transcodeur :
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY transcod7segs IS PORT(
e : in std_logic_vector(3 downto 0);
s7segs : out std_logic_vector(6 downto 0));
END transcod7segs;
ARCHITECTURE arch of transcod7segs IS
BEGIN
with e select
--abcdefg
s7segs <= "0000001" when "0000",
"1001111" when "0001",
"0010010" when "0010",
"0000110" when "0011",
"1001100" when "0100",
"0100100" when "0101",
"0100000" when "0110",
"0001111" when "0111",
"0000000" when "1000",
"0000100" when "1001",
"0001000" when "1010",
"1100000" when "1011",
"0110001" when "1100",
"1000010" when "1101",
"0110000" when "1110",
"0111000" when others;
END;
- le multiplexeur peut être réalisé par :
with sel select
s4 <= entrees8(3 downto 0) when '1',
entrees8(7 downto 4) when others;
que vous compléterez pour en faire une architecture puis ajouterez une entité.
- les sorties an sont gérées avec des équations
an3 <= '1';
an2 <= '1';
an1 <= s_sel;
an0 <= not s_sel;
Compteur BCD sur deux digits
modifierNous cherchons maintenant à modifier le compteur de l'exercice précédent (exercice 2) pour qu'il affiche de 00 à 99.
Exercice 3
modifierRéaliser un compteur BCD 4 bits cascadable. Il sera ensuite cascadé pour fournir un compteur BCD sur 8 bits (deux digits).
Indication : une aide pour réaliser un compteur BCD vous est présentée. Vous devez le modifier pour le rendre cascadable.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity CounterBCD is
port( EN: in std_logic;
Clock: in std_logic;
Reset: in std_logic;
-- ENO : out std_logic;
Output: out std_logic_vector(3 downto 0));
end CounterBCD;
architecture Behavioral of CounterBCD is
signal cmpt: std_logic_vector(3 downto 0);
begin process(Clock,Reset)
begin
if Reset='1' then
cmpt <= "0000";
elsif(rising_edge(Clock)) then
if EN='1' then
if cmpt="1001" then
cmpt<="0000";
else
cmpt <= cmpt + 1;
end if;
end if;
end if;
end process;
Output <= cmpt;
end Behavioral;
La réalisation de ENO étant combinatoire, on vous demande de le réaliser avec un with select when. En remarquant que ENO est à 1 si EN=1 et cmpt=9, il est possible de réaliser une concaténation du signal pour l'utiliser dans le with select when. Voici le tout en image :
s_en_cmpt <= en & cmpt;
with s_en_cmpt select
ENO <= '1' when "?????",
'0' when others;
Exercice 4 Compteur/décompteur BCD sur deux digits
modifierRéaliser un compteur/décompteur BCD 4 bits. Prévoir les tests correspondants à partir du schéma de l'exercice 2.
Indications :
- une aide pour réaliser un compteur décompteur BCD cascadable peut être trouvée ici.
- la documentation des LPM peut être trouvée ici. Cherchez la section lpm_counter.
TP6 : Mémoires
modifierLe réveil
modifier Dans la partie droite de la figure ci-dessus, vous pouvez apercevoir le diagramme d'évolution du réveil qui sera utilisé comme exemple par la suite.
Principe de fonctionnement du réveil : à partir de "Off", "key"=1 arme le réveil. Si "trip" passe à 1 (c'est-à-dire que l'heure courante devient égale à l'heure de réveil) le réveil passe en "ringing" et sonne. "trip" ne reste pas très longtemps à un (1 seconde). Son retour à 0 ne suffit pas à arrêter la sonnerie. Seul le passage de "key" à 0 peut l'arrêter.
Les graphes d'évolutions et le style « case when »
modifierOn rappelle encore une fois que le style « case when » permet de ne pas chercher les équations de récurrences. Mais comme nos diagrammes d'évolutions se sont compliqués (par l'ajout d'étiquettes sur les transitions), il nous faudra ajouter des "if then". Cela est tellement intuitif que nous passons directement aux exemples. Nous commençons par présenter partiellement le réveil.
Programmation sans initialisation
modifierLe principe consiste à déclarer d'abord un type énuméré avec une définition symbolique de chacun des états (ici Armed, Off, Ringing) :
TYPE typetat IS (Armed, Off, Ringing); -- dans architecture
SIGNAL etat : typetat;
Ensuite dans un « case when » on détaillera toutes les transitions possibles comme montré ci-dessous dans le cas où l'on ne s'intéresse pas à une initialisation :
-- sans initialisation
BEGIN
PROCESS (clock) BEGIN
IF clock'EVENT AND clock='1' THEN
CASE etat IS
WHEN Off => IF key ='1' THEN etat <= Armed;
ELSE etat <= Off;
END IF;
....
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
....
L'idée générale est donc d'utiliser un « case » sur les états avec des « if » pour gérer l'ensemble des transitions.
Exercice 1
modifierRéaliser le réveil ci-dessus en n'oubliant pas de ralentir l'horloge du séquenceur pour éviter les problèmes de rebonds.
Indications :
- Vous aurez deux boutons en entrée :
- un bouton d'armement du réveil appelé key dans le diagramme d'évolution
- un bouton simulant l'égalité entre heure réveil et heure courante appelé Trip dans le diagramme d'évolution
- Vous avez naturellement l'horloge en entrée qui peut être branchée sur la sortie d'un habituel compteur 24 bits que l'on peut trouver dans cette page.
- La sonnerie du réveil sera une simple LED
Compteur à sortie sept segments avec mémoire
modifierNous allons utiliser un compteur normal, c'est-à-dire qui compte en binaire sur 4 bits suivi d'une mémoire pour le transcodage.
Présentation des RAM16X8S
modifierPour les utiliser, il ne pas oublier les lignes
library UNISIM;
use UNISIM.Vcomponents.ALL;
devant toute entité qui utilise ces mémoires.
Le composant correspondant est (donné ici pour information) :
component RAM16X8S
-- synopsys translate_off
generic( INIT_00 : bit_vector := x"0000";
INIT_01 : bit_vector := x"0000";
INIT_02 : bit_vector := x"0000";
INIT_03 : bit_vector := x"0000";
INIT_04 : bit_vector := x"0000";
INIT_05 : bit_vector := x"0000";
INIT_06 : bit_vector := x"0000";
INIT_07 : bit_vector := x"0000");
-- synopsys translate_on
port ( A0 : in std_logic;
A1 : in std_logic;
A2 : in std_logic;
A3 : in std_logic;
D : in std_logic_vector (7 downto 0);
WCLK : in std_logic;
WE : in std_logic;
O : out std_logic_vector (7 downto 0));
end component;
Il n'est pas à déclarer puisque c'est justement les deux lignes qu'on a rajouté qui le fait. Par contre toute utilisation nécessite un "PORT MAP" précédé par un "GENERIC MAP".
Exercice 2 Travail à réaliser (VHDL)
modifier
Calculer les valeurs hexadécimales contenues dans cette ROM RAM16X8S pour réaliser le transcodage qui convient.
Reprendre le diviseur de fréquence par 2**24.
Assembler le tout.
Indications : Partez du programme ci-dessous en complétant tous les points d'interrogations et les entités et architecture de ce qui manque, à savoir le compteur 24 bits et le compteur 4 bits.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
-- pour la mémoire
library UNISIM;
use UNISIM.Vcomponents.ALL;
entity top is port(
clk50 : in std_logic;
s7segs : out std_logic_vector(7 downto 0);
an : out std_logic_vector(3 downto 0));
end top;
architecture arch_top of top is
COMPONENT cmpt4bits IS
PORT(clk : IN STD_LOGIC;
Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END COMPONENT;
COMPONENT cmpt24bits IS
PORT(clk_50MHz : IN STD_LOGIC;
clk_slow : OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;
SIGNAL s_clk_slow : std_logic;
SIGNAL s_Q : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
lent: cmpt24bits port map(
clk_50MHz => ????,
clk_slow => ???);
cmpt: cmpt4bits port map(
clk => ????,
Q => s_Q);
ram:RAM16X8S
---- synopsys translate_off
generic map( INIT_00 => x"????", -- a
INIT_01 => x"????", -- b
INIT_02 => x"????", -- c
INIT_03 => x"????", -- d
INIT_04 => x"????", -- e
INIT_05 => x"????", -- f
INIT_06 => x"????", -- g
INIT_07 => x"FFFF")
---- synopsys translate_on
port map( A0 => ??? ,
A1 => ??? ,
A2 => ??? ,
A3 => ??? ,
D => "00000000",
WCLK => '0' ,
WE => '0' ,
O => ???);
an <= "1110";
end arch_top;
Exercice 3 : Texte défilant
modifierDonner le contenu de la RAM pour afficher le texte : "bonjour A touS" qui défile sur un afficheur.
Réaliser l'ensemble et tester. Faire constater.
Indication : Il n'y a que très peu de choses à changer par rapport à l'exercice 2.
Exercice 4 : Chenillard sur LEDs
modifier
1°) On reprend l'exercice précédent mais on sort maintenant sur 8 LEDs (schéma ci-contre). On vous demande de réaliser un chenillard aller et retour. Il faut donc changer le fichier ucf et le contenu de la RAM16X8S.
2°) DS 2014. Les sorties précédentes sont maintenant utilisées comme adresses d'une RAM16x8s comme dans la figure ci-contre. Donner le contenu de la RAM pour afficher le chenillard ci-contre. Réaliser l'ensemble et tester. Faire constater.
Autre méthode pour utiliser des RAMs
modifierSi vous voulez que votre outil de synthèse infère une RAM/ROM il vous faut écrire votre RAM/ROM avec un style spécifique. Nous présentons ici un exemple sur lequel nous nous appuierons dans la suite : ROM avec sortie Registered
--
-- ROMs Using Block RAM Resources.
-- VHDL code for a ROM with registered output (template 1)
--
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity rams_21a is
port (clk : in std_logic;
en : in std_logic;
addr : in std_logic_vector(5 downto 0);
data : out std_logic_vector(19 downto 0));
end rams_21a;
architecture syn of rams_21a is
type rom_type is array (63 downto 0) of std_logic_vector (19 downto 0);
signal ROM : rom_type:=
(X"0200A", X"00300", X"08101", X"04000", X"08601", X"0233A",
X"00300", X"08602", X"02310", X"0203B", X"08300", X"04002",
X"08201", X"00500", X"04001", X"02500", X"00340", X"00241",
X"04002", X"08300", X"08201", X"00500", X"08101", X"00602",
X"04003", X"0241E", X"00301", X"00102", X"02122", X"02021",
X"00301", X"00102", X"02222", X"04001", X"00342", X"0232B",
X"00900", X"00302", X"00102", X"04002", X"00900", X"08201",
X"02023", X"00303", X"02433", X"00301", X"04004", X"00301",
X"00102", X"02137", X"02036", X"00301", X"00102", X"02237",
X"04004", X"00304", X"04040", X"02500", X"02500", X"02500",
X"0030D", X"02341", X"08201", X"0400D");
begin
process (clk)
begin
if (clk'event and clk = '1') then
if (en = '1') then
data <= ROM(conv_integer(addr));
end if;
end if;
end process;
end syn;
Exercice 5 : Travail à réaliser
modifier 1°) En partant de l'exercice 2, on vous demande de modifier toute la partie mémoire : on n'utilisera plus la RAM16X8S mais une ROM décrit en VHDL comme ci-dessus. Assembler le tout, vérifier.
2°) En partant de l'exercice 3, on vous demande de modifier toute la partie mémoire : on n'utilisera plus la RAM16X8S mais une ROM décrit en VHDL comme ci-dessus. Assembler le tout, vérifier.
3°) Pouvez-vous imaginer une architecture qui fasse défiler le texte sur 4 digits.
Exercice 6 : Barregraphe sur LEDs
modifierOn désire afficher une valeur de 0 (tout éteint) à 8 (tout allumé) sur les 8 LEDs. Toute valeur supérieure à 8 affichera 8 (effet de saturation).
- Expliquer pourquoi on doit prendre une RAM16X8S.
- Calculer son contenu et tester avec le même schéma que exo2.
- Implanter et tester en prenant un compteur qui compte de 0 à 8 seulement.
- On complique maintenant le compteur. Il devient un compteur/décompteur.
