Проектирование цифрового автомата в САПР ПЛИС Quartus II

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО  «ВГТУ»)

 

Физико-технический  факультет

Кафедра полупроводниковой электроники  и наноэлектроники

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 

по  дисциплине: Проектирование больших интегральных схем

 

 

 

Расчётно-пояснительная записка

 

Разработал студент гр.    

 

Руководитель  д. т. н.          А.В. Строгонов

 

 

 

Защищен    _________________ Оценка _________________

 

 

 

2012

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО  «ВГТУ»)

Кафедра полупроводниковой электроники  и наноэлектроники

 

ЗАДАНИЕ

на  курсовой проект

по  дисциплине: Проектирование больших интегральных схем

 

Студент группы МТЭ-081

 

1. Используя символьный/схемный редактор САПР ПЛИС QuartusIIразработать иерархическую электрическую схему по заданному граф-автомату цифрового устройства с кодированием по методу OHE.

2. Используя символьный/схемный редактор САПР ПЛИС QuartusIIразработать тестовую электрическую схему цифрового автомата на языке VHDL.

3. Проверить правильность функционирования разрабатываемой схемы цифрового автомата нс помощью временного моделирования в САПР ПЛИС QuartusII.

 

Объем проекта: курсовой проект содержит 21 страницы , 9 иллюстраций, 1 таблицу, для написания использовано 5 источников.

Срок  защиты курсового проекта:

Руководитель                  д. т.н.     Строгонов  А.В.

Задание принял студент группы МТЭ-081   

 

 

Замечания руководителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Задание на курсовой проект         2

Замечание руководителя         3

Введение          5

1. Теоритическая часть         6
2. Практическая часть         8

2.1 Формирование состояний автомата               8

2.2 Формирование автомата на языке  VHDL            18

Заключение                 25

Список литературы                 26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Для достижения высокой степени интеграции на кремниевой пластине с помощью планарно-эпитаксиальной технологии изготовляют несколько сотен одинаковых ИМ. После разделения пластины на отдельные кристаллы, содержащие одну или несколько элементарных микросхем, их помещают в корпуса. Корпусированные ИМ, ранее бывшие на общей подложке объединяют с помощью печатного монтажа в блоки. Промежуточные операции - разделение пластины, крепление кристалла, присоединение и разводка выводов и монтаж ИМ на печатную плату можно исключить, если пластину не разделять на отдельные кристаллы, а объединить их с помощью внутрисхемных соединений (однокристальные БИМ). Этот способ предполагает высокий процент выхода годных отдельных ИМ, что требует уменьшения дефектов в кремниевой пластине и высокое совершенство планарной технологии. Поэтому БИМ реализуют также в виде больших гибридных интегральных микросхем (БГИМ), в которых несколько полупроводниковых или гибридных ИМ устанавливают и коммутируют на общем основании. Два этих метода позволяют достигнуть высокой степени интеграции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Теоритическая  часть

 

В ряде случаев  автоматная модель устройства позволяет  получить быструю и эффективную  реализацию последовательностного  устройства. Обычно рассматривают два  типа автоматов – автомат Мили (Mealy) и Мура (Moore).

Конечные  автоматы широко используются в различных  цифровых прикладных системах и устройствах, особенно в контроллерах.

Выход автомата Мура является функцией только текущего состояния, выход автомата Мили –  функция, как текущего состояния, так  и начального внешнего воздействия.

Обычно  конечный автомат состоит из трех основных частей:

1. Регистр текущего состояния. Этот регистр представляет собой набор тактируемыхD-триггеров, синхронизируемых одним синхросигналом, используемый для хранения кода текущего состояния автомата. Для автомата с n состояниями требуется триггеров;

б) Логика переходов. Конечный автомат может находиться в каждый конкретный момент времени только в одном состоянии. Каждый тактовый импульс вызывает переход автомата из одного состояния в другое. Правила перехода определяются комбинационной схемой, называемой логикой переходов. Следующее состояние определяется как функция текущего состояния и входного воздействия;

в) Логика формирования выхода. Выход цифрового автомата обычно определяется как функция текущего состояния и исходной установки (вслучае автомата Мили). Формирование выходного сигнала автомата определяется с помощью логики формирования выхода.

Метод ОНЕ (onehotencoding - кодирование с одним активным, или горячим состоянием) получил такое название потому, что в каждый конкретный момент времени активным (hot) может быть только один триггер состояния.

Построение конечного автомата с использованием метода ОНЕ, осуществляется по следующей методике - вначале для отображения каждого состояния автомата выделяется индивидуальный триггер, а затем организуется схема, позволяющая в каждый конкретный момент времени только одному состоянию быть активным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Практическая часть

2.1 Формирование состояний автомата

 

Рассмотрим конечный автомат  Мура, предусматривающий, семь различных состояний. Построим граф-автомат проектируемого устройства (рисунок 1). Иерархическая блок-схема автомата, состоящая из 7 блоков S1-S7 и логики формирования выхода, в САПР ПЛИС MAX+PLUSII компании Alteraпоказана на рисунке 2.

Метка, расположенная в каждом круге выше линии, - это имя состояния, а метки ниже линий - это выходные сигналы, которые выдаются, когда данное состояние активно. В примере имеется семь состояний с именами Состояние 1-7 (Stage1-7), каждый блок ответственен за формирования своего состояния, например блок S1 отвечает за формирование состояния 1. “Дуги”, которые возвращаются в то же самое состояние, - это пути, которые работают по умолчанию. Эти дуги будут иметь истинные значения только в случае, когда не будет истинных значений других путей-условий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1- Граф-автомат проектируемого устройства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каждый путь-условие имеет соответствующее логическое условие, которое должно выполняться, чтобы конечный автоматмог перейти в следующее состояние. Все логические входы помечаются как переменные от Адо Е. Выходы конечного автомата носят названия Multi, Contig и Single. В данном примере Состояние 1, в котором должен находиться конечный автомат при включении питания, имеет структуру триггера с двумя инверторами (схема S1, рисунок 3).

Для того чтобы конечный автомат при включении питания всегда принимал известное начальное состояние, выход триггера Состояния 1 инвертируется, а чтобы обеспечить логическую непротиворечивость, входной информационный сигнал этого триггера также инвертируется. Таким образом, Состояние 1 в начальный момент времени находится в состоянии логической единицы. Для всех других состояний 2-7 используется D-триггер с асинхронным сбросом, тактируемый фронтом синхросигнала. Активный низкий уровень сигнала RST, в начальный момент времени, переводит выходы состояний 2-7 в ноль.

После того как установлены  начальные состояния, необходимо построить логику перехода в следующее состояние.

Вначале подсчитывается число путей-условий, ведущих к данному состоянию, и добавляется еще один путь, если условие по умолчанию должно оставлять конечный автомат в том же самом состоянии. Далее строится логический вентиль ИЛИ с числом входов, равным числу путей-условий, определенных ранее.

Далее, для каждого входа вентиля  ИЛИ строится логический вентиль  И, входами которого служат предыдущие состояния и его логика условия. Если по умолчанию конечный автомат должен оставаться в том же самом состоянии, строится логический вентиль И, входами которого служат данное состояние и обратная величина всехвозможных путей-условий, исходящих из данного состояния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3- Схема для Состояния 1

 

Чтобы определить число  путей-условий для Состояния 1, рассмотрим граф-автомат. Из рис.3 видно, что Состояние 1 имеет один путь от Состояния 7, когда переменная А+D истинна. Другой путь - это условие по умолчанию, ведущее в Состояние 1. Таким образом, Состояние 1 имеет два пути-условия. После этого можно построить двухвходовой логический вентиль ИЛИ - с одним входом для пути-условия от Состояния 7, а другим для пути по умолчанию, чтобы оставаться в Состоянии 1 (рисунок3).

Следующий шаг - это построение логики условий для данного вентиля ИЛИ. Каждый вход вентиля 2ИЛИ есть логическая функция Ипредыдущего состояния и логики условия Состояния 1. Например, Состояние 7 поступает на вход Состояния 1, когда A+D имеет истинное значение. Это обеспечивается при помощи логического вентиля 2И (рис.3). Второй вход вентиля ИЛИ - условие по умолчанию, когда конечный автомат должен оставаться в Состоянии 1. Если текущее состояние есть Состояние 1, и нет путей-условий, выходящих из Состояния 1, которые истинны, то конечный автомат должен оставаться в Состоянии 1. Состояние 1 на диаграмме состояний имеет два исходящих пути-условия (рисунок 3).

Первый  путь является действительным, когда истинно условие , и ведет в Состояние 2. Второй путь, ведущий в Состояние 4, является действительным при истинном значении условия . Логика по умолчанию - это функция И для Состояния 1 обратной величины всех путей-условий, исходящих из Состояния 1. Эта логическая функция реализуется с использованием вентиля 2И с инвертором на одном из входов и логических элементов, формирующих сигнал для инвертирующего входа вентиля 2И (рисунок 3). Комбинационная логика обеспечивает декодирование с учетом входных сигналов и сигнала обратной связи.

Состояние 4 не является начальным состоянием, поэтому для его представления используется D-триггер без инверторов, с входом асинхронного сброса. Имеется три входящих пути-условия и условие по умолчанию, чтобы конечный автомат мог оставаться в Состоянии 4. Поэтому на входе триггера используется четырехвходовый логический вентиль 4ИЛИ (схема S4, рисунок 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4-Схема S4 для Состояния 4

 

Первый путь-условие  исходит из состояния 3. В соответствии с изложенными выше правилами необходимо построить функцию И для Состояния 3 и логику условия, которая здесь имеет вид   (рисунок 4).

Следующий путь-условие исходит  из Состояния 2, он требует логической функции И для Состояния 2 и  переменной D (вентиль 2И на рисунке 4). Последний путь-условие для Состояния 4 - от Состояния 1. Выход Состояния 1 должен пройти через схему 2И с логикой его пути-условия - логическим произведением (для этого служат вентили 2И и 3И с одним инвертором на входе, рисунок 4).

Далее нужно построить  логику, обеспечивающую сохранение Состояния 4, когда ни один из путей-условий, исходящих из Состояния 4, не имеет истинного значения. Путь, исходящий из Состояния 4, является действительным, когда логическое произведение истинно. Следовательно, необходимо пропустить Состояние 4 через вентиль И с обратной величиной произведения. Это необходимо для поддерживания триггера в высоком уровне, пока не произойдет действительный переход в следующее состояние. В логике пути по умолчанию используется вентиль 2И и выход вентиля 3И с инвертором на входе .

Состояние 2 имеет только один путь-условие, который приходит от Состояния 1, когда произведение истинно (схема S2, рис.5, а). Однако конечный автомат будет немедленно переходить по одному из двух путей из Состояния 2 в зависимости от значения сигнала . Включение логического элемента 2 ИЛИ на один из входов которого поступает логическое произведение а на другой, выход вентиля 2 ИЛИ со входами и на информационный вход триггера схемы S2, приводит к противоречию работы схемы S2. Здесь нет логики по умолчанию, позволяющей оставаться в Состоянии 2 (рисунок 5, а). Состояние 3, подобно Состояниям 1 и 4, имеет путь по умолчанию, и для управления входом -триггера используется комбинация сигналов A, B, C, Состояния 2 и самого Состояния 3 (рисунок 5, б).