1. INTRODUÇÃO 1. ESPECIFICAÇÃO DO CONTROLADOR DE MÁQUINA DE SISTEMAS DIGITAIS , MEFT/MEAER

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1 TRABALHO DE LABORATÓRIO V PROJECTO DE UM CONTROLADOR DE MÁQUINA DE VENDA DE BEBIDAS 1. INTRODUÇÃO Pretende-se com este trabalho que os alunos se familiarizem com a síntese de circuitos sequenciais. Este trabalho é considerado para avaliação de conhecimentos. Durante a aula o grupo completará a adenda ao relatório com as conclusões sobre a montagem, assim como alterações ao relatório, a qual entregará ao docente no final da aula. Na secção 4 é explicada a estrutura que o relatório deverá seguir. Como preparação prévia, deve ser feita uma leitura cuidada do documento Introdução ao Ambiente de Projeto da Xilinx disponível na página da cadeira. Deve ter consigo nesta e nas aulas de laboratório seguintes cópias dos documentos Introdução ao Ambiente de Projeto da Xilinx e Guia de Implementação de Circuitos na Placa de Desenvolvimento os quais deverá utilizar como manuais de utilização. 1. ESPECIFICAÇÃO DO CONTROLADOR DE MÁQUINA DE VENDA DE BEBIDAS Pretende-se implementar um circuito sequencial básico que implemente um controlador de máquina de venda de bebidas com as seguintes características: Existem dois tipos de bebidas (GOGAGOLA e BEBSI) e o pagamento é feito através de fichas de valor único, vendidas previamente ao utilizador. Ambas as bebidas têm um preço igual e fixo (em número de fichas), correspondente ao dígito de menor peso de maior valor dos números de aluno módulo 6 mais 10. Por exemplo se os números dos alunos forem e 82467, o preço fica (7 mod 6) + 10 = 11 fichas. Existe um estado inicial (READY), que terá a codificação binária correspondente ao bit de menor peso de menor valor dos números de aluno módulo 5 mais 1. Por exemplo se os números dos alunos forem e 82467, o estado inicial fica (1 mod 6) + 1 = 2. O circuito armazena os seguintes dados: número de unidades disponíveis de GOGAGOLAs (4 bits), número de unidades disponíveis de BEBSIs (4 bits), número de fichas em falta (4 bits). Existem 3 saídas de 4 bits cada que indicam: 1) O número disponível de GOGAGOLAs (GGQTY); 2) O número disponível de BEBSIs (BBQTY); 3) Quantas fichas faltam para acabar de pagar a bebida (MISSCOINS) (no estado READY esta saída deve indicar 0). Existem ainda, duas saídas de 1 bit (GGCHOSEN e BBCHOSEN) que indicam respetivamente se foi escolhida a GOGAGOLA ou a BEBSI (ou nenhuma; no estado 1 P á g i n a

2 READY - estão ambas apagadas). Adicionalmente, deve deixar acessível como saída o estado do circuito de controlo. No estado inicial (READY), 3 opções são possíveis: 1) Carregar, através de um botão LOAD, o depósito de bebidas, que fica com 15 bebidas de cada tipo, voltando em seguida ao estado inicial READY; 2) Escolher a GOGAGOLA através do botão GG; 3) Escolher a BEBSI através do botão BB. Quando uma das bebidas é escolhida, deve ser ativada a saída que indica qual a bebida escolhida (GGCHOSEN ou BBCHOSEN) e o sistema deve esperar que sejam introduzidas fichas em número suficiente para perfazer o total. Cada ficha é introduzida através de uma pressão no botão NEWCOIN. A cada moeda que é introduzida, a saída correspondente às fichas em falta (MISSCOINS) deve ser decrementada de um. Quando chegar a zero, deve ser decrementado de um o número de bebidas disponível correspondente (GGQTY ou BQTY) e o sistema volta ao estado inicial READY. Se a bebida selecionada não estiver disponível, o sistema deve manter-se (ou voltar imediatamente) ao estado inicial READY. O sistema é síncrono, com apenas um sinal de relógio, e tem que garantir que não há funcionamento incorreto, mesmo que tenha ido parar a estados não especificados. Uma especificação nunca é completa. Podem existir partes do comportamento do controlador que não estão indicadas explicitamente (ou que podem ser facilmente melhoradas). Nesses casos, tome as decisões que julgar mais razoáveis e justifique-as no relatório. 2. PROJECTO DA MÁQUINA DE ESTADOS 2.1. Apresente o fluxograma correspondente ao funcionamento do controlador da máquina de venda de bebidas. Reparta adequadamente a funcionalidade pedida entre o circuito de dados e o circuito de controlo Apresente a tabela de transição de estados. Para minimizar o número de linhas na tabela, pode utilizar o símbolo X (don t care) sempre que uma entrada for irrelevante para a determinação da transição de estado Considere a implementação da lógica combinatória da máquina de estados através de um elemento de memória (i.e., através de microprogramação). i. Apresente a codificação utilizada para os estados. Identifique, justificadamente qual o tipo de arquitetura escolhida (endereçamento explícito ou implícito). ii. Indique (teoricamente) como utilizar o elemento de memória. Indique ainda qual a dimensão da memória (número de endereços, número de bits por entrada e número total de bits), assim como o seu conteúdo. iii. Implemente a lógica combinatória da máquina de estados do controlador usando um elemento de memória no Xilinx ISE e simule o seu funcionamento. Para realizar esta alínea consulte o anexo A Implemente o circuito de dados utilizando elementos disponíveis no ambiente Xilinx (contadores, Flip Flops, MUXs, portas lógicas, etc): i. Apresente o diagrama lógico dos circuitos resultantes; justifique adequadamente como chegou aos circuitos. 2 P á g i n a

3 2.5. Integre a máquina de estados com o circuito de dados, e simule o funcionamento do sistema completo. 3. REALIZAÇÃO DO CONTROLADOR Assume-se que os alunos já simularam exaustivamente e com sucesso os circuitos desenvolvidos na alínea 2 antes de passar a este ponto (Em casa) Integre o circuito completo no ficheiro sd.sch utilizando o sinal slow_clock como sinal de relógio. Ligue os sinais de entrada da seguinte forma: Botões de Pressão: 0-NEWCOIN 1-LOAD 2-GG 3-BB Coloque os sinais de saída GGCHOSEN e BBCHOSEN nos LEDs 0 e 1 respetivamente. Aos Display de 7 segmentos devem ser ligadas s saídas GGQTY (disp3), BBQTY (disp2) e MISSCOINS (disp1), bem como o estado do circuito de controlo (disp0). Gere o ficheiro.bit. Assume-se que, além do ficheiro.bit, os alunos trazem para o laboratório o projecto Xilinx ISE (com todos os ficheiros auxiliares do Xilinx ISE e não os.sch somente) dos circuitos da alínea 2 numa USB flash drive ou disco (No laboratório) Teste o circuito na placa de desenvolvimento. Poderá ser pedido para implementarem uma modificação ao circuito. 4. ELEMENTOS A INCLUIR NO RELATÓRIO O relatório deve incluir os elementos relativos às perguntas da secção 2, nomeadamente: 1. Fluxograma 2. Tabela de transição de estados 3. Codificação dos estados e justificação da solução escolhida 4. Descrição da memória e da sua utilização. 5. Logigrama do circuito de controlo 6. Logigrama do circuito de dados 7. Impressão das simulações das situações de interesse e comentário curto. 8. Comentário sobre o funcionamento da simulação na placa durante a aula e sobre a eventual modificação ao circuito Os pontos 3, 4, e 8 devem ocupar no máximo 2 páginas. Os pontos restantes devem ser apresentados de forma sucinta mas garantindo uma boa compreensão e fácil leitura. 3 P á g i n a

4 5. AVALIAÇÃO DO TRABALHO DE LABORATÓRIO Na avaliação do trabalho de laboratório serão tidas em conta as seguintes componentes: Preparação e resposta às questões da secção 2. Simulação, teste do circuito e eventual implementação da alteração pedida no laboratório. Estrutura, apresentação e qualidade do relatório. O relatório deverá usar o seguinte conjunto de regras: Páginas: Máximo de páginas A4 de acordo com o indicado no ponto 4, e uma página de capa com a indicação i) do turno (dia da semana e hora) de laboratório, ii) do nome do docente responsável pelo turno, e iii) do nome e iv) número dos elementos do grupo e v) número do grupo. Páginas numeradas, preferencialmente com cabeçalho, e margens não inferiores a 2cm. Letra da família sans-serif (Arial, Verdana, Helvetica, Tahoma, Cambria, Calibri ou Trebuchet MS). Não deverão ser usadas fontes das famílias cursive ou fantasy, excepto para representar símbolos. Pode, se desejar, usar uma fonte da família monospace (ex.: Courier) para indicar sinais físicos. Tamanho da letra de fácil leitura e nunca inferior a 10pt. Figuras e tabelas: As figuras (p. ex.: esquemas) poderão ser feitos num programa de edição de imagens (p. ex.: MS Visio, Omnigraffle, Inkscape,...) ou manuscritas, digitalizadas (com scan ou máquina fotográfica/telemóvel) e inseridas nos espaços correspondentes do relatório. No entanto as figuras deverão estar em estado apresentável (limpas, sem rabiscos ou rascunhos, facilmente perceptíveis e com tamanho de letra não inferior à do relatório). As figuras deverão ser necessariamente enumeradas, acompanhadas de legenda (a legenda deverá explicar sucintamente o que se observa na figura) e ser referenciadas no texto. A simulação dos Test Benches deve ser obrigatoriamente incluída no corpo do relatório (e não em anexo). Estas deverão ser numeradas usando uma legenda do tipo Figura e referenciadas no texto, explicando sucintamente o que se observa. Todos os esquemas no Xilinx ISE realizados no contexto da secção 3 e 4 devem ser incluídos no relatório de forma legível. Para fazer um print screen podem ser usados quaisquer programas adicionais, tal como a ferramenta de recorte do Windows (Snipping Tool). O não cumprimento das regras será penalizado na nota final do laboratório (ex: penalização de 0,5 valores por página adicional). 4 P á g i n a

5 ANEXO A-DESCRIÇÃO DE MEMÓRIAS NO XILINX ISE Deverá adicionar ao projeto um elemento de memória (ficheiro my_mem.vhd). O ficheiro originalmente disponibilizado descreve em VHDL uma memória com 64 palavras (6 bits de endereço), em que cada palavra é composta por 16 bits de dados. Para utilizar esta memória deverá editar o seu conteúdo fazendo duplo click no ficheiro dentro do Xilinx ISE. Aparecerá um editor de texto onde poderá definir o conteúdo de memória (tenha sempre atenção para não alterar o formato do ficheiro). Deverá proceder às seguintes alterações: 1. Indicar nas linhas 34 e 35 o número de bits de endereço da memória e o correspondente número de entradas na memória. No ficheiro original assume-se 6 bits de endereço correspondentes a 64 posições de memória: LINHA 34: address : in std_logic_vector(5 downto 0) LINHA 41: type ram_type is array (0 to 63) of 2. Alterar as linhas 35 e 42, de forma a indicar o tamanho da palavra de dados. No ficheiro original assume-se palavras de 16 bits LINHA 35: data_out : out std_logic_vector(15 downto 0) LINHA 42: std_logic_vector(15 downto 0); 3. Preencher as linhas 41 a 46, adicionando mais linhas se necessário, de forma a indicar o conteúdo da memória. O formato do ficheiro é: <posição> => <dados>, onde <posição> é um número (em decimal) que indica a posição de memória e <dados> é um número (em binário), representado entre aspas, que indica o conteúdo da posição de memória. Por exemplo, a linha 7 => " ", -- bit mais significativo à esquerda indica que o conteúdo da posição de memória 7, M[7], é o número (2). Uma representação alternativa para o número é: B"0001_1101_00_000000", que permite colocar _ entre quaisquer bits de forma a organizar os campos dentro da palavra binária. Utilize sempre que necessário o sinal -- para escrever comentários. 4. Verificar se o ficheiro após alterações contém algum erro de sintaxe e corrigir se necessário. 5. Criar o símbolo correspondente ao elemento de memória. 6. Incluir o bloco de memória no do controlador (poderá necessitar de lógica residual). Ficheiro: my_mem.vhd, linhas 34-35, : entity my_mem is 33: Port ( 34: address : in std_logic_vector(5 downto 0); -- bits de endereço 35: data_out : out std_logic_vector(15 downto 0) -- dimensão da palavra de dados 36: ); 37: end my_mem;... 41: type ram_type is array (0 to 63) of -- indicar o número de posições de memória 42: std_logic_vector(15 downto 0); -- indicar a dimensão da palavra de dados 43: constant InitValue: ram_type := ( 44: 0 => " ", -- posição de memória 0 45: 1 => " ", -- posição de memória 1 46: 2 => " ", : 3 => " ", -- 48: 4 => " ", -- posição 4... adicionar linhas até ao máximo de : others => " " -- outras posições não indicadas anteriormente 50: ); 5 P á g i n a