41

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

____________

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

А.К. ПОЛЯКОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УЗЛОВ

В САПР ACTIVE-HDL

Методическое пособие по курсу «Схемотехника ЭВМ» для студентов, обучающихся по направлению "Информатика и вычислительная техника".

Москва Издательство МЭИ 2016

Представлено методическое пособие для лабораторных работ по курсу "Схемотехника ЭВМ". Оно посвящено моделированию цифровых узлов на языке VHDL в интегрированной среде Active-HDL.

Методическое пособие может использоваться студентами при подготовке расчетных заданий по курсам "Схемотехника ЭВМ",»Моделирование цифровых устройств», "Запоминающие устройства ЭВМ", "Современные средства проектирования цифровых систем", "Микропроцессорные системы", в курсовом и дипломном проектировании.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 230100 "Информатика и вычислительная техника".

© Московский энергетический институт , 2016

ВВЕДЕНИЕ

Современным международным стандартом описания цифровой аппаратуры (Hardware Description Language - HDL) являются языки высокого уровня VHDL и VERILOG [1 – 6]. Используя эти языки, можно описать цифровое устройство, а затем провести логическое моделирование работы этого устройства на компьютере. Добившись правильного функционирования модели можно перейти к следующему этапу проектирования – созданию топологии интегральной схемы или конфигурации программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Разработано несколько популярных систем автоматизированного проектирования (САПР), в частности пакет Active-HDL (www.aldec.com), позволяющий разрабатывать описание цифровых устройств на языках VHDL и VERILOG, а затем проводить логическое моделирование их на компьютере.

. Для облегчения работы пользователей используются готовые библиотеки моделей логических элементов. В например в лабораторном практикуме МЭИ это модели элементов, являющихся компонентами микросхем серии кр1533. Можно элементы библиотеки обозначать латинскими символами , соответствующими именам микросхем , например элемент 2И-НЕ обозначать как LA3 или как NAND_2. При построении схем из этих элементов можно строить их VHDL- описания в виде текста, либо использовать графический редактор САПР. В курсе СХЕМОТЕХНИКА используются графические средства, в курсе МОДЕЛИРОВАНИЯ-текстовые.

При этом внутри каждого способа описания схем и моделирования имеются различные варианты.

.

ГРАФИЧЕСКИЙ ( БЛОК_ДИАГРАММНЫЙ) СПОСОБ–

он предполагает минимальные знания по языку VHDL и в основном используется студентами , изучающим курс «СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ»

Вариант 1 организации модельного эксперимента

-.- Он наиболее близкий к физическому эксперименту на лабораторных стендах, выполняемому обычно студентами- очниками. Они согласно заданию проектируют схему или берут готовую из описания лабораторной.работы, собирают схему из стандартных элементов, расположенных на стенде, соединяя их проводами. Потом подключают к схеме сигналы от генераторов сигналов , затем подключают выходы схемы к осциллографу, . включают питание и смотрят диаграммы выходных сигналов на осциллографе, сверяя их с ожидаемыми. Если имеется расхождение, исправляют ошибки в схеме и повторяют эксперимент. В данном варианте модельный эксперимент предполагает в блок-диаграмме тестового эксперимента ( тестбенча) иметь не только блок-диаграмму исследуемой логической схемы, но и блок- диаграммы генераторов сигналов. Модели регистрирующих блоков в данном случае не используются .Наблюдение сигналов реализуется средствами редактора( просмотрщика) временных диаграмм системы моделирования САПР.

Вариант 2. организации модельного эксперимента

- модели генераторов входных сигналов в тестбенче не используются. Входные сигналы задаются средствами редактора входных сигналов САПР. Наблюдение выходных сигналов схемы реализуется средствами просмотрщика-( редактора) временных диаграмм системы моделирования САПР.

ТЕКСТОВОЙ СПОСОБ

описания модели и модельного эксперимента

. Он предполагает более глубокое знание языка VHDL и предлагается в практикуме по курсу МОДЕЛИРОВАНИЕ цифровых схем.

Его плюсы- минимальная зависимость от особенностей конкретной САПР, т к VHDL является международным стандартом и сделанные на нем модели работают на всех САПР

Вариант 1 организации модельного эксперимента

Тест бенч описывается на языке VHDL, исследуемая схема также в текстовой форме описывается на vhdl, но задание диаграмм входных сигналов и наблюдение за выходными сигналами строится средствами САПР. Минус этого подхода- при работе с другой САПР тест бенч придется в части генератора входных воздействий менять.

Вариант 2 организации модельного эксперимента

. СХЕМА и ТЕСТБЕНЧ описываются на vhdl-. Плюс этого подхода- при работе с другой САПР тестбенч не придется в части генератора входных воздействий менять

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УЗЛОВ В САПР

Active-HDL

. В данном практикуме используется бесплатная студенческая версия программы- Active-HDL student edition v 10,которая имеет ряд ограничений ( по скорости, числу блоков в схеме, построенной графическим редактором, невозможности автоматического построения прототипа тестирующей программы и тп).

Подробности, как скачивать программу Active-HDL students edition

( обьем 2 гигабайта) и как ее устанавливать на персональной машине см. в соответствующих файлах инструкций по скачиванию и установке .

1. Создание нового проекта

.Программа Active-HDL запускается двойным щелчком левой кнопки мышки на пиктограмме программы.

.Сначала появляется запрос- согласны вы ее использовать только в некоммерческих целях- отвечаете да(yes)

. Появляется окно навигатора-( мастера) проектов

Мастер Проекта (Design Wizard) предназначен для создания проекта цифрового устройства. Окно Начало (Getting Started) автоматически появляется после запуска программы (рис. 1.1).

РИС.1.

Если вы создаете новый проект- ОК ( стоит CREATE NEW WORKSPACE)

Появляется окно ( рис.2)с запросом указания местоположения нового проекта и его имени . по умолчанию проекты располагаются в каталоге MY DESIGN,

место которого определяется при установке системы

Если вы хотите работать с ранее созданным проектом-то укажите OPEN EXISTING Project ,появится окно рис.3.

Ниже на рис.2. окно создания нового проекта

РИС.2.

Указав имя проекта и его место в каталоге на диске, идем дальше( ОК)

Дальнейшие действия по созданию нового проекта будут указаны после описания варианта открытия старого проекта

Ниже на рис.3.окно открытия старого проекта

В нем видны файлы проекта и один из них- с расширением aws

Это файл запуска имеющегося проекта.

В лабораторном практикуме по курсу Схемотехника используется готовый проект, в который включена библиотека простейших элементов микросхем серии КР1533( вентили И.ИЛИ,НЕ, дешифраторы, мультиплексоры,триггера и регистры), и библиотека простейших генераторов сигналов.

Учащиеся в основном средствами графического редактора САПР созают в этом проекте новые файлы, представляющие собой описания исследуемых ими схем и описания тестбенчей и проводят с ними модельные эксперименты.

РИС.3.

Ниже рассматривается как создается новый проект.

Для создания нового проекта–( по умолчанию в каталоге MY Design) в этом окне необходимо установить курсором точку в позицию Создать новый проект (FILE - New- Design)

Появится окно рис.4.

Рис.4.

Окно навигатора проектов - пример работы с файлами(FILE)- видны разные режимы работы и режим новый( NEW)

Если вы выбрали пустой проект ,то появляется окно навигатора проектов рис.5.

Видны возможности создания новых каталогов проектов ,новых файлов и т.п.

Рис.5.

1. РАБОТА СО СХЕМНЫМ РЕДАКТОРОМ на примере

На примере схемы повторителя ,построенной из элемента «2И»

Вы выбираете режим создания НОВОГО БЛОК_ДИАГРАММНОГО ФАЙЛА

File – new- block diagram( см. рис. 6 ниже)

Появляется окно схемного редактора

Рис.6.

Появляется окно рис.7 с предложением указания включения нового исходного схемного ( .bde) файла в проект . На рис.6 и 7 слева виден список блок- диаграмм элементов серии кр1533 и генераторов сигналов, включенных в проект.

На верхней строке экрана список основных режимов работы системы и пиктограммы основных действий

Рис.7.

Указываю имя создаваемого файла и имя создаваемого обьекта проекта (рис.8).

РИС.8

Далее- Указываю входные и выходные порты- в примере рис.9

один вход и один выход для схемы ,реализующую функцию повторителя У= Х.

РИС.9. Указываю в диалоге NEW—имя порта-функция порта

( вх-вых)- в примере Х вход, У выход.

Готово- появляется поле рисунка схемы с портами входа и выхода (РИС.10).

Основные кнопки схемного редактора

РИС.10.окно схемного редактора ,справа список файлов- моделей элементов ,которые могут использоваться в схеме. В верхней части справа-пиктограммы операций схемного редактора.

Ниже пиктограммы типовых операций-

Нажав на пиктограмму символ пользователь получил список символов, доступных к использованию на РИС.11- справа на экране.

РИС.11. Окно редактора после выбора режима включения блока элемента в схему.- справа список блоков элементов.

Пользователь для оригинальности выбрал элемент LL1( 2И). Его крупное изображение появилось справа внизу-рис.12..

Рис.12.

Пользователь перенес мышкой появившийся внизу справа символ LI1 на поле схемы ( рис.13).