ΗΜΥ211 4o Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Σχεδιασμός Συνδυαστικού κυκλώματος και υλοποίηση στο Quartus (a) με πύλες: and, or, xor και not (b) μόνο με πύλες nand2 και (c) με Vhdl (dataflow) Διδάσκoντες: Δρ. Γιώργος Ζάγγουλος και Δρ. Παναγιώτα Μ. Δημοσθένους Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Ατζέντα 1. Στόχοι 4 ου Εργαστηρίου 2. Υλοποίηση σχεδιασμού μόνο με χρήση των οικουμενικών πυλών NAND2 3. Παρουσίαση 1 ης Εργαστηριακής άσκησης 4. Μαθησιακά Αποτελέσματα 5. Σημαντικές Ημερομηνίες για το ΗΜΥ211 Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 2
Στόχοι 4 ου Εργαστηρίου Με την ολοκλήρωση αυτού του εργαστηρίου, θα πρέπει: 1. Να μπορείτε να ακολουθείτε σωστά τα βήματα που απαιτούνται για να υλοποιήσετε ένα σχεδιασμό ο οποίος να ικανοποιεί όλες τις προϋποθέσεις που τέθηκαν σε κάποιο πρόβλημα. (Κατανόηση Προβλήματος, Συμπλήρωση Πίνακα Αληθείας, Απλοποίηση Εξισώσεων, Σχεδιασμός Συστήματος, Υλοποίηση στo Quartus II και Επαλήθευση του.) 2. Να είστε σε θέση να υλοποιήσετε οποιοδήποτε συνδυαστικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας μόνο οικουμενικές πύλες NAND ή μόνο κώδικα Vhdl Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 3
Οικουμενική Πύλη Nand X F = (X X) = X +X = X X F = X X Y X Y F = ((X Y) ) = (X +Y ) = X Y = X Y F = (X Y ) = X +Y = X+Y X Y X Y F = X Y F = X+Y Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 4
Περιγραφή Συστήματος Συναγερμού Υλοποιήστε ένα ψηφιακό σύστημα το οποίο θα λειτουργεί ως σύστημα συναγερμού για ένα διαμέρισμα. Το σύστημα θα περιλαμβάνει 4 εισόδους θετικής λογικής (αισθητήρες): Α, Β, C και D και 4 εξόδους, επίσης θετικής λογικής, (W, Χ, Υ και Ζ) οι οποίες περιγράφονται πιο κάτω. Στην είσοδο Α είναι συνδεδεμένος ένας αισθητήρας (μαγνητική επαφή) ο οποίος είναι εγκατεστημένος στη μοναδική είσοδο του διαμερίσματος και ενεργοποιείται όταν αυτή ανοίξει ενώ στην είσοδο Β είναι συνδεδεμένος αισθητήρας για εντοπισμό δόνησης ο οποίος είναι τοποθετημένος στην μπαλκονόπορτα του διαμερίσματος, έτσι ώστε να εντοπίζει και κτυπήματα στο γυαλί. Στην είσοδο C είναι συνδεδεμένος ένας αισθητήρας κίνησης που εντοπίζει οποιαδήποτε κίνηση στο σαλόνι ενώ στην είσοδο D ένας διπλός αισθητήρας (εντοπισμού καπνού/πλημμύρας) ο οποίος είναι εγκατεστημένος με τέτοιο τρόπο ώστε να ενεργοποιεί την είσοδο D στην περίπτωση που ανιχνεύσει καπνό στην κουζίνα ή νερό σε ύψος 0.5cm από το πάτωμα. Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 5
Δυνατότητες Συστήματος Η έξοδος W είναι συνδεδεμένη με την εξωτερική σειρήνα η οποία ηχεί στην περίπτωση που παραβιαστεί η πόρτα του δωματίου ή κάποιος προσπαθήσει να σπάσει το γυαλί της μπαλκονόπορτας ή να την παραβιάσει. Η έξοδος X θα ενημερώνει άμεσα το 199/112 για να σταλεί ασθενοφόρο και πυροσβεστικό όχημα όταν υπάρχει ένδειξη καπνού και κάποιος βρίσκεται στο διαμέρισμα. Η έξοδος Y θα ενημερώνει άμεσα τον διαχειριστή της πολυκατοικίας για να σταλεί συνεργείο όταν υπάρχει ένδειξη πλημμύρας στο διαμέρισμα και κανείς δεν βρίσκεται εντός του διαμερίσματος. Σε περίπτωση εντοπισμού κίνησης και ενεργοποίησης του αισθητήρα Α ή Β, τότε θα πρέπει μέσω της εξόδου Ζ να ενημερώνεται η αστυνομία και ο ιδιοκτήτης με αποστολή κατάλληλου SMS. Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 6
Σχεδιαστικοί Περιορισμοί - Ρυθμίσεις Στον αρχικό σας σχεδιασμό, επιτρέπεται η χρήση πυλών AND, OR και XOR με μόνο 2 εισόδους,, καθώς και NOT. Η 2 η υλοποίηση του ίδιου συστήματος θα γίνει μόνο με πύλες NAND 2 εισόδων. Η 3 η υλοποίηση του ίδιου συστήματος θα γίνει με περιγραφή dataflow σε VHDL Για την υλοποίηση του κάθε σχεδιασμού, πρέπει να χρησιμοποιηθούν όσο το δυνατόν λιγότερες λογικές πύλες Η προσομοίωση του κάθε συνδυασμού (εισόδων) θα πρέπει να είναι 25ns. Όλες οι είσοδοι και έξοδοι του συστήματος είναι θετικής λογικής (δηλαδή ενεργοποιούνται στο 1 και απενεργοποιούνται στο 0) Οι περεταίρω ενέργειες (αποστολή SMS, τηλεφωνικές κλήσεις, κλπ.) υλοποιούνται από άλλα κυκλώματα τα οποία εσείς θα θεωρήσετε ότι συνδέονται στο δικό σας σύστημα εξωτερικά και είναι συμβατά. Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 7
Αναμενόμενη Εργασία Στο επόμενο εργαστήριο (03 07/10 2016) θα πρέπει να έχετε μαζί σας τα παρακάτω ζητούμενα, έτσι ώστε να μπορέσετε να ολοκληρώσετε με επιτυχία την 1 η σας βαθμολογημένη άσκηση για 5% του τελικού σας βαθμού στο ΗΜΥ211. Προσοχή!!! Μπορείτε να φτάσετε ευκολότερα στη λύση του προβλήματος ολοκληρώνοντας τα πιο κάτω ζητούμενα με τη σειρά που εμφανίζονται: 1. Πίνακας αληθείας 2. Αρχικές εξισώσεις (σε μορφή SOP) 3. Απλοποιήσεις με χάρτες Karnaugh (και στη συνέχεια με άλλο τρόπο αν είναι εφικτό) 4. Σχεδιασμός με πύλες AND2, OR2, XOR2 και ΝΟΤ και δημιουργία 1 ου συμβόλου 5. Σχεδιασμός μόνο με πύλες NAND των 2 εισόδων και δημιουργία 2 ου συμβόλου 6. Σχεδιασμός με VHDL dataflow και δημιουργία 3 ου συμβόλου Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 8
Αναμενόμενη Εργασία 7. Σχεδιασμός νέου αρχείου (bdf) και εισαγωγή των 3 συμβόλων που υλοποιούν τις ίδιες συναρτήσεις. Τα 3 σύμβολα θα έχουν κοινές εισόδους (Α, B, C, D) και διαφορετικές εξόδους (W, X, Y, Z), (Wnand, Xnand, Ynand, Znand) και (Wvhdl, Xvhdl, Yvhdl, Zvhdl) 8. Ένα αρχείο προσομοίωσης για όλους τους συνδυασμούς εισόδου και αποτελέσματα (τόσο από Functional όσο και από Timing Simulation) με σύγκριση της χρονικής απόκρισης. 9. Πίνακας αντιστοιχίας εισόδων/εξόδων με τα αντίστοιχα PINS όπως περιγράφονται πιο κάτω. Επιπλέον, θα πρέπει να έχετε μαζί σας τον φάκελο με όλα τα αρχεία της άσκησης για να μπορέσετε να καθορίσετε εισόδους/εξόδους και να φορτώσετε τον σχεδιασμό σας για έλεγχο στο FPGA board. Στα συμπεράσματά σας σχολιάστε με κάθε λεπτομέρεια τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και τις δυσκολίες που αντιμετωπίσατε. Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 9
Μαθησιακά Αποτελέσματα Με την ολοκλήρωση αυτού του εργαστηρίου θα πρέπει να μπορείτε να: Μελετάτε τις προδιαγραφές ενός συστήματος Απλοποιείτε τις αρχικές εξισώσεις ενός σχεδιασμού Σχεδιάζετε και να προσομοιώνετε το σχεδιασμό σας στο Quartus, καθώς και να επαληθεύετε την ορθή του λειτουργία Σχεδιάζετε ψηφιακά κυκλώματα μόνο με οικουμενικές πύλες NAND Σχεδιάζετε ψηφιακά κυκλώματα με Vhdl Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 10
Σημαντικές Ημερομηνίες! Στο επόμενο εργαστήριο 03-07 Οκτωβρίου θα γίνει το 1 ο Quiz. Μέχρι τις 21 Οκτωβρίου, όσοι επιθυμείτε να κάνετε την προαιρετική εργασία (κατασκευή και/ή βίντεο) θα πρέπει να στείλετε email στον διδάσκοντα σας με τα ονόματα και μία σύντομη περιγραφή (200 400 λέξεις) της εργασίας που επιλέξατε. Η ενδιάμεση εξέταση θα πραγματοποιηθεί για όλους το Σάββατο 05/11/16. Αν κάποια άτομα έχουν άλλες υποχρεώσεις, μπορούν να στείλουν email μέχρι τις 07/10/16 και να ζητήσουν πρωινή, μεσημβρινή ή απογευματινή εξέταση. Οι ώρες της εξέτασης θα είναι (περίπου) 9-12, 12-15 και 15-18. Σεπτέμβριος 16 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. & Π.Δ. - 11