UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DISCIPLINAS: CIRCUITOS E SISTEMAS DIGITAIS
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- Filipe Rui Diegues Cerveira
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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DISCIPLINAS: CIRCUITOS E SISTEMAS DIGITAIS GUIA PRÁTICO AHDL -(Altera Hardware Description Language) Para uso no software MAX+PLUS II Prof. Dr. José Renes Pinheiro Prof. Dr. Hélio Leães Hey Monitor: Robinson Figueiredo de Camargo Santa Maria, 1º Semestre 2000.
2 ÍNDICE 1) O Software MAX+PLUS II VERSÃO ) Arquiteturas da ALTERA ) AHDL (Altera Hardware Description Language) ) APLICATIVOS DO GERENCIADOR MAX+PLUS II ) MAX+PLUS II TEXT EDITOR ) COMANDOS BÁSICOS PARA LINGUAGEM AHDL ) LÓGICA COMBINACIONAL EM AHDL ) LÓGICA SEQÜÊNCIAL EM ADHL ) MÁQUINAS DE ESTADO EM AHDL ) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
3 1. O Software MAX+PLUS II VERSÃO 7.21 O software Altera MAX+PLUS II (Multiple Array matrix Programable Logic User System) versão 7.21, trata-se de uma edição estudantil da versão comercial do software MAX+PLUS II 8.0 possuindo muitos aspectos em comum. É um pacote provido de programas para Edição, compilação, verificação (simulação e análise no tempo) e gravação de PLD s altera de todas as famílias Altera. Este software suporta esquemas e textos baseados em linguagem de descrição de hardware incluindo Altera linguagem de descrição de hardware (AHDL) e (VHDL). O software MAX+PLUS II é um software constituído de uma multiplataforma, ambiente de arquitetura - independente a fim de que seja facilmente adaptável as necessidades do usuário. Oferecendo fácil implementação do projeto, processamento inteligente, e como saída obtém-se a programação do chip (PLD). Um projeto completo é constituído de vários arquivos de entrada (arquivo projeto), cada arquivo contém um conjunto de informações, que são compartilhadas entre os demais arquivos da hierarquia formada no momento da compilação ou simulação, de tal forma que os arquivos da hierarquia em conjunto descrevem o projeto desde a linguagem de descrição hardware (AHDL ou VHDL) até a especificação dos pinos de I/O do PLD a ser programado. Para isso o MAX+PLUS II é composto de três editores de entrada: editor gráfico, editor de texto e editor de formas de onda e dois editores auxiliares: o editor de planta baixa e editor de símbolos. Através dos quais são criados os arquivos projeto que formarão a árvore (hierarquia). 2. Arquiteturas da ALTERA A Altera propõe uma série de arquiteturas programáveis as quais nomeia CPLD (Complex Programmable Logic Devices). As CPLDs utilizam matrizes de interconecção onde os atrasos nas conexões são previsíveis e, uma vez os blocos alocados, independem do seu roteamento. Os tipos de roteamento implementados nas arquiteturas Altera são os seguintes: - Global Interconnect; - PIA Programmable Logic Array e Enhanced Programmable Logic Array; - Fast Track Interconnect. Do ponto de vista da implementação das funções lógicas no interior dos blocos lógicos, as arquiteturas podem ser classificadas em dois grupos: - Arquiteturas MAX (Multiple Array Matrix): são CPLDs onde a estrutura do bloco lógico está baseada em soma de produtos (SOP); 02
4 - Arquiteturas FLEX (Flexible Logic Elements Matrix): são CPLDs onde a estrutura do bloco lógico está baseada em Look-up Tables (LUT). Do ponto de vista da Tecnologia de programação dos componentes, as arquiteturas podem ser classificadas em quatro grupos: - SRAM; - FLASH; - EEPROM; - EPROM. As arquiteturas de circuitos programáveis da Altera são: - Arquitetura Classic; - Arquitetura MAX 5000; - Arquitetura MAX 7000; - Arquitetura MAX 9000; - Arquitetura FLEX 8000; - Arquitetura FLEX 10000; - Arquitetura FLASHlogic Evolução das Arquiteturas da Altera Figura 1 Evolução das Arquiteturas 03
5 3. AHDL (Altera Hardware Description Language) A linguagem descritiva de Hardware Altera é uma linguagem desenvolvida pela Corporação Altera sobre declarações que definem uma lógica de funcionamento ( lógica combinacional, seqüêncial, máquinas de estado, operação de grupos, parametrização lógica e tabelas verdade),na qual o circuito é construído. Os elementos e declarações desta linguagem são muito versáteis e fáceis de usar. Você pode criar todo seu projeto em AHDL ou mesclá-lo com outros tipos de arquivos de projeto. Embora você possa utilizar qualquer editor de texto ASCII para criar um projeto em AHDL, o editor de texto do sistema MAX+PLUS II permite uma série de vantagens devido a suas características de construção. Estas facilidades, e todo o suporte sobre o seu funcionamento estão contidos em seu HELP, que pode ser acessado também on-line VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE HDL (Hardware Description Language) Desenvolver o projeto em linguagem descritiva de hardware permite inúmeras vantagens. Podemos dizer que o projetista não necessita possuir conhecimentos profundos em circuitos e sistemas digitais para desenvolver o seu projeto. O projeto em linguagem descritiva de hardware facilita modificações e correções de erros, podendo assim, o projetista ampliar facilmente o seu projeto com apenas algumas modificações em algumas linhas de comando PASSOS BÁSICOS PARA FORMAÇÃO DE UM PROJETO Abaixo serão relacionados os passos básicos na formação do projeto completo: 1º Criação de um novo arquivo de projeto ou uma hierarquia para múltiplos arquivos de projeto em uma combinação dos três editores de entrada.(text EDITOR, GRAPHIC EDITOR ou WAVEFORM EDITOR). 2º Especificar o arquivo de projeto que será o topo da hierarquia. 3º Especificar a família lógica para o projeto. Se o usuário não especificar o compilador se encarrega de determinar a família mais adequada para o projeto. Abrir a janela do compilador e acionar a compilação do projeto. Se você desejar, você pode acionar o Timing SNF Extrator Module para que o compilador crie um arquivo netlist para simulação e análises no tempo. Uma vez obtendo sucesso na compilação pode-se observar a o desempenho através da simulação e analise no tempo. Já para a simulação primeiro deve-se criar um vetor de entradas Simulator Chanel File (.scf) através do waveform editor ou um Vector File através do text editor. 04
6 A janela do gerenciador MAX+PLUS II é aberta automaticamente quando você inicia o software, esta janela possui alguns comandos comuns a todas as versões do software MAX+PLUS II, conforme figura 2, por exemplo abrir um arquivo, compilar ou simular o projeto corrente ou mudar para um outro projeto, bem como comandos específicos da versão mais atualizada se for o caso. Para a versão 7.21 ou 8.0 o gerenciador é constituído de 11 programas aplicativos. Figura 2 MAX+PLUS II janela principal Estes mesmos programas aplicativos também podem ser acionados por ícones fora dos menus do gerenciador, conforme descrição abaixo: 05
7 4. APLICATIVOS DO GERENCIADOR MAX+PLUS II Ícones - Hierarchy Display - mostra a hierarquia atual que se está trabalhando onde pode ser visualizada a árvore hierárquica e o tipo de cada arquivo que ela compõe se é texto, diagrama esquemático ou arquivo de forma de onda. Também é possível abrir ou fechar um ou mais arquivos da hierarquia diretamente para modificar o seu conteúdo. Graphic Editor - abre o editor gráfico para a construção do diagrama esquemático onde blocos são interligados para formar o circuito lógico, cada bloco representa primitivas, macrofunções e megafunções presentes nas bibliotecas Altera ou pode haver um ou mais blocos criados pelo próprio usuário. Symbol Editor - permite a edição de símbolos existentes nas bibliotecas Altera ou criação de um novo. Text Editor - o editor de texto permite criar ou editar textos escritos em linguagem de descrição de hardware AHDL ou VHDL, bem como os demais arquivos de texto que compõem um projeto. Waveform Editor - este editor pode servir para duas finalidades: como ferramenta para um arquivo de entrada ou para entrar com vetores de teste e verificar os resultados na simulação. Floorplan Editor - permite ao programador designar a lógica para o pino de saída do chip e a disposição das células lógicas no chip graficamente, possibilitando ao usuário a visualização dos pinos no chip para eventualmente efetuar a ligação deste à célula lógica contida no logic array block.
8 06 Compiler - processa projetos lógicos das famílias Altera já mencionadas, podendo-se utilizar partes ou todo o processo de compilação do projeto. Simulator - utilizado para testar operações lógicas e temporização interna (tempo de setup, hold,...) do circuito lógico. Timing Analiser - Analisa a performance do circuito lógico otimizando-o para a compilação. Programmer - possibilita a programação, verificação, e teste do chip. Message Processor - mostra os erros, perigos, e mensagens sobre o estado do projeto.
9 07 5. MAX+PLUS II TEXT EDITOR Esta linguagem possui extensão.tdf (Text Design Files), onde o editor de texto do Max+Plus II é provido de um AHDL Templates para criação de seu projeto, onde os comandos básicos da linguagem já estão pré-definidos e basta ao usuário escolher a rotina desejada e inserir no seu programa, conforme figura 2 e 3. Figura 2 Template do Editor de Texto do MAX+PLUS II
10 08 Figura 3 Template AHDL 6. COMANDOS BÁSICOS PARA LINGUAGEM AHDL A linguagem AHDL funciona como uma linguagem de programação (Pascal, C++, Assembly), possuindo comandos necessários e mesmo obrigatórios como para a titulação "SUBDESIGN" (que deve ser o mesmo nome dado ao arquivo.tdf ), declaração de variáveis "VARIABLE", declaração das entradas "INPUT" e saídas "OUTPUT" e nós "NODE" do circuito, comandos de inicialização "BEGIN" e finalização "END;", além de outros. 09
11 7. LÓGICA COMBINACIONAL EM AHDL A lógica é combinacional quando o nível lógico na(s) saída(s) em qualquer instante de tempo depende única e exclusivamente dos níveis lógicos presentes na(s) entrada(s), no instante de tempo considerados. A lógica combinacional é implementada em ADHL com expressões boolean e equações, tabelas verdade, e uma variação de megafunções e macrofunções EXEMPLO DE UM CIRCUITO COM LÓGICA COMBINACIONAL A partir de um circuito digital definido na figura 4 abaixo, construir-se-á o mesmo circuito em linguagem AHDL conforme a figura 5. Figura 4 - Circuito Digital Figura 5 - Circuito em linguagem AHDL 10
12 A partir da construção da linguagem no editor de texto do software Max+PLUS II, faz-se necessário realizar o salvamento do programa (no menu File - Project - Save e Check), compilar o programa (no menu File - Project - Save e Compile), criar um editor de formas de onda "Waveform" se for necessário para testar a lógica do programa então realizar a sua simulação ( no menu File - Project - Save e Simulate). Os passos deste parágrafo estão bem especificados na Apostila "GUIA PRÁTICO SOBRE MAX+PLUS II", também disponível aos acadêmicos das disciplinas de Circuitos e Sistemas Digitais. Você pode a partir da compilação do projeto criar seu próprio componente no editor gráfico, onde a partir do menu File, clicando no comando Create Default Symbol, este comando vai realizar a compilação de seu programa e então, se você criar um novo editor gráfico e entrar no menu Symbol e em enter symbol seu componente lá estará com o nome exemplo 1, e clicando nele obterá o seguinte componente conforme a figura 6 abaixo. Figura 6 - Circuito gerado a partir da linguagem AHDL 11
13 8. LÓGICA SEQÜÊNCIAL EM ADHL A lógica é seqüencial quando o nível lógico na(s) saída(s) estão em funções dos níveis lógicos presentes na(s) entrada(s), em alguns ou em todos os instantes de tempo considerados. Todos os circuitos seqüências podem incluir um ou mais flip-flops. A lógica seqüencial pode ser implementada em AHDL com máquinas de estado, registradores, ou latches e funções LPM DECLARANDO REGISTRADORES Podem ser declarados conforme exemplo2 abaixo. Figura 7 - Registradores de 8 Bits em Linguagem AHDL Ainda pode-se declarar nos registradores as entradas assíncronas PRN, CLRN, as declarações depende exclusivamente do projetista com exceção das entradas, saídas e clock que são obrigatórias ao projeto do circuito seqüencial. Logo após temos o design gráfico conforme figura 8.
14 12 Figura 8 - Design gráfico registradores de 8 bits Para o editor de forma de onda (WAVEFORM) temos o seguinte exemplo abaixo: Figura 9 - Formas de onda dos registadores de 8 bits 13
15 8.2. DEFININDO GRUPOS Um grupo de componentes pode ser definido até 256 membros ( ou bits), em AHDL um grupo é defino com os sinais "[ ]" conforme exemplo anterior, onde dentro deste podemos definir o número de bits e ou dos bits compostos neste grupo. Exemplo: a[7..0] ou b[5..3][2..0] CRIANDO CONTADORES Contadores usam lógica seqüencial para contar pulsos de clock. Alguns contadores podem contar de modo crescente ou decrescente. Observe exemplo 3 abaixo: Figura 10 - Contadores de 9 bits crescente e/ou decrescentes 14
16 No editor de formas de onda, podemos notar que o clock permite ao contador contar e que quando o enable está em nível alto o contador realiza contagem crescente, quando em nível baixo a contagem é decrescente quando load está em nível alto ele passa a contar com o valor que se encontra na entrada de dados e por fim e em ordem crescente de de hierarquia de controle dos contadores de 9 bits se acionarmos o clear ele zera o valor dos contadores. Figura 11 - Contadores up/down de 9 bits OBSERVAÇÃO: Para atribuir valores aos grupos é necessário marcar com o mouse no intervalo que se deseja na entrada de dados de grupo (d[8..0]) e acionar o ícone de grupo na barra de ferramentas do waveform FLIP-FLOPs e LATCHES Além das maneiras descritas acima para definir flip-fliops, suas entradas e saídas, existe um outro método, o qual tem como vantagem reduzir as linhas de comando do programa, onde é necessário somente declarar as entradas "INPUT" e saídas "OUTPUT", então segundo a tabela a seguir, coloca-se os valores (vcc ou gnd) e ou as respectivas saídas de outra parte do circuito que será a entrada neste flip-flop ou lacht escolhido. Esta simplificação apresenta desvantagens quando se trabalha com grandes grupos de flip-flops ou latches (grande número de bits), tornando o programa mais extenso. Cada entrada entre parênteses deve obedecer os critérios da tabela a seguir. 15
17 TABELA DE FLIP-FLOPs E LATCHES PRIMITIVA PROTÓTIPO DA FUNÇÃO EM AHDL (COMANDO) SAÍDA LATCH LATCH ( D, ENA) Q FLIP-FLOP "D" DFF (D, CLK, CLRN, PRN) Q FLIP-FLOP "D" DFFE (D, CLK, CLRN, PRN, ENA) Q FLIP-FLOP "JK" JKFF (J, K, CLK, CLRN, PRN) Q FLIP-FLOP "JK" JKFFE (J, K, CLK, CLRN, PRN) Q FLIP-FLOP "SR" SRFF (S, R, CLK, CLRN, PRN) Q FLIP-FLOP "SR" SRFFE (S, R, CLK, CLRN, PRN, ENA) Q FLIP-FLOP "T" TFF (T, CLK, CLRN, PRN) Q FLIP-FLOP "T" TFFE (T, CLK, CLRN, PRN, ENA) Q Logo temos em AHDL: Figura 12 - Forma simplificada de comandos flip-flop e latches 16
18 TIPOS : 9. MÁQUINAS DE ESTADO EM AHDL Quando a saída de uma máquina seqüencial é função apenas do estado atual esta máquina é chamada de Moore, e quando a saída é função das entradas e do estado atual a máquina é chamada de Mealy. As Máquinas de Moore : podem ser representadas por diagramas de estado, conforme figura 13, onde um circulo representa o estado atual, e uma seta representa a transição entre dois estados (atual e futuro). Neste caso, dentro de cada circulo, que representa o estado, coloca-se uma letra ou número que identifique o estado e o valor das saídas correspondentes a este estado, e em cada flecha que representa uma transição, coloca-se o valor das entradas do circuito. Figura 13 - Diagrama da máquina de Moore 17
19 A seguir é definida a máquina de Moore, em linguagem AHDL, conforme a figura 13 anterior. Figura 14 - Máquina de Moore em AHDL 18
20 Abaixo temos o editor de formas de onda para a Máquina de Moore em linguagem AHDL, onde dependo da entrada Y, a cada transição positiva de clock haverá mudança ou não de um estado para o outro e quando o reset estiver em nível alto, este faz com que o estado permaneça em S0. Figura 15 - Waveform Máquina de Moore Figura 16 - Circuito digital da máquina de Moore acima descrita 19
21 As Máquinas de Mealy : podem ser representadas por diagramas de estado, conforme figura 17, onde um circulo representa o estado atual, e uma seta representa a transição entre dois estados (atual e futuro). Neste caso dentro de cada circulo, que representa o estado, coloca-se uma letra ou número que identifique o estado, e em cada flecha, que representa uma transição, coloca-se o valor das entradas e das saídas. Com estas máquinas seqüenciais síncronas (MSS) é possível fazer contadores de qualquer seqüência, inclusive contadores tipo up/down, que contam incrementando ou decrementando. Figura 17 - Diagrama máquina de Mealy A seguir é definida a máquina de Mealy, em linguagem AHDL, conforme a figura anterior. 20
22 Figura 18 - Máquina de Mealy em AHDL 21
23 Abaixo temos o editor de formas de onda para a Máquina de Mealy em linguagem AHDL, onde dependo da entrada Y, a cada transição positiva de clock haverá mudança ou não de um estado para o outro e quando o reset estiver em nível alto, este faz com que o estado permaneça em S0. Figura 19 - Waveform da Máquina de Mealy Figura 20 - Circuito digital da máquina de Mealy acima descrita 22
24 ALGUMAS CONSIDERAÇÕES: A linguagem AHDL proporciona ao usuário uma nova forma de construção e montagem de circuitos e sistemas digitais, trazendo grandes vantagens principalmente na descrição de hardware de um sistema digital complexo, onde este se criando em design gráfico despenderia mais tempo para sua construção, além de uma maior complexidade em sua montagem. Com relação as máquinas de estado estas, permitem, ao usuário, a simplificação de seu diagrama de estado, visto que montando-se uma determinada tabela, o próprio programa se encarregara de fazer as simplificações, pois onde houver um estado repetido ele assumira somente um destes estados e que poderá ser visto no editor de formas de onda (Waveform). O software Max+Plus II permite também a combinação de programas em AHDL e componentes do editor gráfico, permitindo uma maior versatilidade na construção de projetos de sistemas digitais. Vale ressaltar ainda que, caso você não encontre na biblioteca do software Max+Plus II, o componente que desejar, através da linguagem AHDL você mesmo pode projetar seu próprio componente e incorporá-lo junto a esta biblioteca. 23
25 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1) Manual Max+Plus II Altera - Getting Starded - versão 5.0, julho ) Everton Glaser Corrêa da Conceição - Relatório de Estágio Supervisionado 3) Altera Corporation, Manual AHDL, julho ) Altera Corporation, In- System Programmability Handbook 5) Altera Corporation, University Program Design Laboratory Package. 6) Altera Corporation, Data Book, June ) Site da Altera Corporation, Informações Técnicas - http//: 8) Software Max+Plus II, Tópicos de Ajuda - versão 9.01, ano
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