Цели и задачи лабораторного практикума

СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ.

Лабораторный практикум.

Цели и задачи лабораторного практикума

При изучении дисциплины «Схемотехника ЭВМ» лабораторный практикум ставит своей целью закрепление практических навыков проектирования и исследования узлов цифровой техники на основе технологий САПР и FPGA (ПЛИС). В ходе выполнения лабораторных работ слушатели должны ознакомиться с пакетом автоматизированного проектирования QUARTUS 8.1, техникой проектирования внутрисистемных программ и программирования микросхем ПЛИС серии Cyclone II.

Лабораторные работы построены на базе учебной научно-исследовательской лаборатории “UNIL-book”.

Порядок выполнения лабораторных работ включает ознакомление студента с поставленной задачей, описание теоретических моментов, лежащих в основе решения поставленной или поставленных задач, проектирование устройства или функционального узла на базе ПЛИС, исследование результатов проектирования. Каждая лабораторная работа должна оформляться отчетом по лабораторной работе, требования к которому приведены ниже.

Признаком успешного выполнения работы является защита отчета по лабораторной работе.

Требования к отчету по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе (далее отчет) выполняется на бумаге формата А4 в печатном виде.

Отчет должен быть выполнен в соответствии с требованиями к оформлению технических документов. Титульный лист установленного образца должен содержать наименование дисциплины, тему лабораторной работы, вариант задания, группу, фамилию, имя и отчество исполнителя, а также сведения о преподавателе, проверяющем работу.

Отчет должен содержать разделы:

Порядок	Раздел	Рекомендуемое содержание
	Задание к работе	Текстовое описание задания с учетом варианта с указаниями к выполнению работы
	Описание задачи исследования	Описание теоретических моментов, лежащих в основе исследуемой задачи, методов и способов исследований, области практического применения
	План выполнения работы	Описание последовательности операций для решения поставленных задач
	Схемотехническое проектирование	Принципиальная схема синтезированного устройства, описание принципа работы
	Исследовательский эксперимент	Демонстрация работы устройства и описание, изображения с экрана (скриншоты), иллюстрирующие работу устройства, пояснения к рисункам
	Анализ работы устройства	Временные диаграммы, таблицы истинности, раскрывающие технические характеристики спроектированного устройства
	Вывод	Анализ выполненной работы, оценка качества результатов
	Список литературы	Список литературных или электронных источников информации

Порядок защиты результатов лабораторной работы

Для успешной защиты отчета по лабораторной работе студент должен:

· предъявить отчет, выполненный с учетом всех требований настоящих методических указаний;

· объяснить суть работы, принцип действия устройства, показать на схеме существующие связи и функциональные блоки;

· объяснить исходя из анализа работы основные характеристики, этапы функционирования устройства;

· ответить на дополнительные вопросы по теоретической и практической частям работы.

Требования к безопасности

Для нормальной и безопасной эксплуатации Комплекса УНИЛ необходимо соблюдать требования:

1. Подключение кабелей питания и USB Аппаратного модуля УНИЛ должно производиться к системному блоку одной и той же ПЭВМ. ПОДКЛЮЧЕНИЕ КАБЕЛЕЙ ПИТАНИЯ И USB К РАЗНЫМ ПЭВМ НЕДОПУСТИМО!

2. При подключении к внешним разъемам аппаратного модуля УНИЛ других приборов и устройств, потенциалы их корпусов (шасси) и потенциал корпуса (шасси) ПЭВМ, к которой подключен аппаратный модуль УНИЛ, должны быть ВЫРАВНЕНЫ ОБЩИМ ПРОВОДОМ или общим заземлением.

3. Подключение внешних устройств и карт расширения к внешним разъемам аппаратного модуля УНИЛ должно производиться в отключенном состоянии (кабели питания и USB) Аппаратного модуля УНИЛ.

4. При подключении Аппаратного модуля УНИЛ к ПЭВМ сначала подключается кабель питания, затем – кабель USB.

5. Операционная Система ПЭВМ должна поддерживать протоколы шины USB-2.0 (Windows 2000, Windows XP).

Модуль расширения МС-10

Модули расширений позволяют расширить функциональность комплекса УНИЛ. Модуль МС-10, подключаемый к УНИЛ, содержит жидкокристаллический индикатор, клавиатуру 5х4, 4 светодиода. Схема модуля приведена на рисунке 3.

Назначение выводов и привязка к выводам ПЛИС приведена в таблице:

Таблица 1. Подключение выводов ПЛИС к устройствам УНИЛ

Сигнал	Вывод ПЛИС	Описание
XB1		Светодиод белого свечения
XB3		Светодиод красного свечения
XB5		Светодиод зеленого свечения
XB7		Светодиод синего свечения
XB2		Клавиатура: столбец 0
XB4		Клавиатура: столбец 1
XB6		Клавиатура: столбец 2
XB8		Клавиатура: столбец 3
XB10		Клавиатура: столбец 4
XB18		Клавиатура: строка 0
XB20		Клавиатура: строка 1
XB22		Клавиатура: строка 2
XB24		Клавиатура: строка 3
XB12		Общий вход ЖКИ
XB14		Данные для регистров ЖКИ
XB16		Сброс регистров ЖКИ
XB23		Тактовый сигнал для регистров ЖКИ

Варианты заданий

Вариант	Логическая функция
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.

Указания к работе

Создание проекта

1) Ознакомьтесь со схемой модуля расширения MC-10 (рис. 3)

2) В пакете Quartus II создайте новый проект.

Лучше это сделать с помощью New Project Wizard (File|New Project Wizard).

Шаг 1: в поле «What is the working directory? » укажите путь к папке нового проекта. В поле «What is the name project? » укажите название проекта.

Шаг 2: с помощью кнопки «User Libraries..» добавьте путь к папке sym- модулей в список библиотек пользователя.

Шаг 3: выбрать семейство ПЛИС (Device family) Cyclone II, тип микросхемы EP2C8Q208C

3) Задайте параметры устройства.

В диалоге Device|Setting нажать кнопку «Device and Pin Options..»

На вкладке «Configurations» установить:

Configuration scheme -> Passive Serial (Can use configuration device);

На вкладке «Programming Files» установить:

Tabular Text File (*.ttf) -> включить;

На вкладке «Unused Pins» установить:

Reserve all unused pins-> As input tri-stated with weak pull-up resistor

Привязка выводов ПЛИС

9) Выполните привязку входов/выходов проекта к выводам микросхемы

В меню Assigned | Pins поставьте в соответствие ножкам микросхемы название входов/выходов (в соответствии с таблицей):

Группа	вход/выход	Тип	Ножка микросхемы
Шина управления	ExtCntr[2]	Input	PIN_24
ExtCntr[1]	Input	PIN_27
ExtCntr[0]	Input	PIN_30
Обмен данными с ПЭВМ	ExtData[7]	Bidir	PIN_31
ExtData[6]	Bidir	PIN_33
ExtData[5]	Bidir	PIN_34
ExtData[4]	Bidir	PIN_35
ExtData[3]	Bidir	PIN_37
ExtData[2]	Bidir	PIN_39
ExtData[1]	Bidir	PIN_40
ExtData[0]	Bidir	PIN_41
Светодиодные индикаторы	RED_DIODE	Output	PIN_46
WHITE_DIODE	Output	PIN_44
GREEN_DIODE	Output	PIN_48
BLUE_DIODE	Output	PIN_57
Столбцы клавиатуры	COL_0	Input	PIN_43
COL_1	Input	PIN_45
COL_2	Input	PIN_47
COL_3	Input	PIN_56
COL_4	Input	PIN_58
Строки клавиатуры	ROW_0	Output	PIN_69
ROW_1	Output	PIN_72
ROW_2	Output	PIN_75
ROW_3	Output	PIN_77

Рисунок 7. Виртуальный прибор wr_bit_0

Тестирование проекта

10) Откомпилируйте проект

Если проект не содержит синтаксических ошибок, то в папке проекта должен появиться одноименный файл с расширением *.ttf. Если такое не произошло, значит надо еще раз проверить п. 2 или наличие ошибок компилятора. Исправив, следует попытаться откомпилировать заново.

11)

Рисунок 8. Создание файла временного моделирования

Откройте программу Win_PLD и загрузите скомпилированный проект

В меню программы Win_PLD ПЛИС|Загрузить.. выбрать скомпилированный ttf файл.

С помощью виртуального прибора wr_bit_0 (меню Приборы | Модули ПЛИС | Запись бит | wr_bit_0) установите комбинацию входных сигналов (рис. 7). Проверьте работу устройства.

Временное моделирование

12) Создайте файл для временного моделирования

В пакете Qurtus II выберете в меню File|New.. Vector Waveform File (*.vwf) (рис. 8). Сохраните созданный файл.

Добавьте в VWF файл входные и выходные переменные для моделирования.

Рисунок 9. Выбор переменных проекта для моделирования

В созданном VWF файле через контекстное меню выбрать Insert | Insert Node or Bus… Далее в диалоге нажать Node Finder. В диалоге «Node Finder» Выбрать в фильтре Pins: input или Pins: output, кнопкой List добавить выбранную группу выводов в левый список. Из левого списка необходимо выбрать интересующие выводы и добавить в правый список диалога.(рис. 9).

13) Запустите симулятор и проведите моделирование временных характеристик устройства.

Выбрать в меню Processing | Compilation and Simulation. В случае, если все выполнено верно, получим отчет симулятора с временными диаграммами (рис. 10).

Рисунок 10. Редактор временных диаграмм с результатами моделирования

Оформление отчета

14) В соответствие с требованиями к отчету по лабораторной работе оформите пояснительную записку. Большинство документов можно распечатать или экспортировать из пакета Quartus II.

Контрольные вопросы:

1. Назовите способы построения комбинационных цифровых устройств, реализующих логические функции.

2. Назовите методы оптимизации логических выражений комбинационных цифровых автоматов.

3. Перечислите компоненты проекта Quartus II и структуру комплекса УНИЛ. Укажите последовательность внутрисистемного программирования ПЛИС Cyclone II.

4. Расскажите о механизме взаимодействия ПЛИС УНИЛ с виртуальными приборами ПЭВМ.

Оформление отчета

13) В соответствие с заданием и требованиями к отчету по лабораторной работе оформите пояснительную записку. Большинство документов можно распечатать или экспортировать из пакета Quartus II.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите об устройстве и принципе действия жидкокристаллического индикатора.

2. Опишите принцип действия контроллера ЖКИ.

3. Опишите способ формирования поля сегмента ЖКИ с помощью мультиплексора

4. Опишите способ формирования поля сегмента ЖКИ с помощью «Исключающего ИЛИ»