Laboratório de Eletrônica Digital Tutorial Quartus II (Procedimentos para Criação e Simulação de Projetos Digitais)

Transcrição

1 Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Elétrica Laboratório de Eletrônica Digital Tutorial Quartus II (Procedimentos para Criação e Simulação de Projetos Digitais) Thiago de Lima Freire

2 Tutorial Quartus II O procedimento apresentado a seguir mostra como criar um modelo esquemático e realizar a simulação e implementação em FPGA do sistema estudado utilizando o software Altera Quartus II 9.1 sp1 e a placa de desenvolvimento Altera DE2 Development and Education Board. 1. Inicie o Quartus II, uma tela como a da figura 1 será mostrada. Figura 1 Tela inicial do Quartus II 2. Crie um novo projeto no menu File > New Project Wizard. Clique em Next na primeira janela e na seguinte (Figura 2) especifique o diretório onde será salvo o projeto, o nome do projeto e o nome do top-level design, que por padrão será o mesmo nome do projeto e é preenchido automaticamente. Figura 2 New Project Wizard: Directory, Name, Top-Level Entity A próxima janela (Figura 3) permite adicionar ao projeto arquivos feitos anteriormente, caso não haja nenhum arquivo a ser incluído, apenas clique em Next.

3 Figura 3 New Project Wizard: Add Files Na janela seguinte (figura 4) é preciso especificar o dispositivo (FPGA) que será usado para implementação do sistema. Na aba Device Family > Family > Cyclone II e em Available Devices > EP2C35F672C6. Figura 4 - New Project Wizard: Family & Device Settings Na próxima janela (figura 5) é possível escolher outras ferramentas de Design, Simulação e Análise para serem usadas em conjunto com o Quartus II, porém usaremos apenas o Quartus II. Então, apenas clique em Next.

4 Figura 5 New Project Wizard: EDA Tool Settings A última janela contém um resumo das informações dadas nos itens anteriores, se tudo estiver correto clique em Finish. Figura 6 New Project Wizard: Summary 3. Para iniciar o design do modelo esquemático clique em File > New ou no ícone na barra de ferramentas do Quartus. Na janela mostrada na figura 7 escolha a opção Block Diagram/Schematic File.

5 Figura 7 4. A figura 8 mostra a área de trabalho para esquemáticos no Quartus na qual devem ser encaixados os componentes correspondentes às equações obtidas anteriormente. Figura 8 Área de trabalho para modelos esquemáticos 5. Para selecionar os componentes necessários para o sistema clique no ícone (Symbol Tool) localizado na barra de ferramentas à esquerda. Na janela da figura 9 deve-se escolher os componentes que serão usados no design. Tomando como exemplo a forma de Soma Padrão de Produtos temos que usar 4 portas AND de 3 entradas e 1 porta OR de 4 entradas, portas inversoras também serão necessárias. Os componentes então são selecionados navegando nas abas no lado esquerdo da janela, as portas utilizadas aqui encontram-se na biblioteca principal do Quartus em primitives > logic > and3, primitives > logic > or4 e primitives > logic > not. Além das portas lógicas também é importante incluir no design os pinos de entrada e saída do sistema, aqui eles se encontram em primitives > pin > input e primitives > pin > output. Obs.: Quando mais de um componente do mesmo tipo tiver de ser usado, marcar a opção Repeatinsert mode evita que a janela symbol seja aberta diversas vezes.

6 Figura 9 6. Posicione os componentes na área de trabalho de forma semelhante ao mostrado na figura 10. Figura O próximo passo é fazer as ligações entre os componentes e dar nomes aos pinos de entrada e saída. O ícone (Orthogonal Node Tool) permite fazer as ligações, com a opção selecionada basta clicar com o mouse em um ponto da ligação e arrastar até o outro atentando para que as ligações sejam feitas corretamente como na figura 11. Figura 11 Para renomear os pinos basta dar um duplo clique no componente e, na janela que se abrir, na aba Pin name colocar o nome do pino correspondente.

7 O design completo deve ficar semelhante ao da figura 12. Figura Antes de realizar a simulação do sistema é necessário compilar o design, o que pode ser feito pelo botão na barra de ferramentas (se o design ainda não tiver sido salvo com o botão, a ferramenta pedirá para fazê-lo agora), porém é necessário se certificar se o design a ser compilado está definido como top-level pela ferramenta. Isto pode ser checado na janela Project Navigator na aba Hierarchy que mostra qual o top-level atual, caso este não seja o desejado é possível mudar na aba Files clicando com o botão direito do mouse no nome do arquivo desejado e escolhendo a opção Set as Top-Level Entity. Se o design for compilado sem erros, podemos seguir para a simulação. Figura 13 Project Navigator 9. Para fazer a simulação é necessário criar um arquivo que contem as formas de onda com os sinais correspondentes da entrada do sistema a fim de obter o resultado da saída. Crie um novo arquivo em File > New > Vector Waveform File. A janela da figura 14 será aberta.

8 Figura 14 Arquivo de Forma de Onda 10. Para adicionar as formas de onda de entrada e saída clique com o botão direito do mouse na área branca logo abaixo de Name e então em Insert > Insert Node or Bus... e na janela que abrirá escolha Node Finder... Na janela seguinte (figura 15) deixe a opção Filter em Pins: all e clique no botão List. Uma lista com todos os pinos existentes no design atual irá aparecer em Nodes Found, como usaremos os 4 pinos existentes clique no botão aparecer em Selected Nodes. para selecionar todos, que devem Figura 15 Node Finder

9 11. Agora a janela deve aparecer semelhante a figura 16,onde poderemos atribuir os valores das entradas. Figura 16 Quando realizamos uma simulação é importante tentar atingir cobertura total de todos os resultados possíveis do sistema, ou seja, checar se os valores da simulação estão de acordo com os da tabela verdade. Lembrando que aqui isso só é viável devido à simplicidade do sistema estudado. Para realizar a cobertura total dos resultados, temos que atribuir os valores das entradas conforme a tabela verdade. Os valores podem ser atribuídos manualmente, mas é possível agilizar o processo, com a variável a qual se deseja atribuir um valor selecionada clique no botão (Overwrite Clock) para definir uma forma de onda que varia de 0 para 1 em um período que pode ser determinado. Para decidir qual será esse período, basta observar a tabela verdade, vemos que enquanto C0 sofre uma mudança de 0 para 1 C1 continua em 0 ou 1, o que significa que o período de C1 é o dobro do período de C0 e mesmo pensamento vale para C2 em relação a C1. Assim, como o valor padrão do tempo de simulação é de 1 µs usaremos T C2 = 1 µs, T C1 = 0.5 µs e T C0 = 0.25 µs os períodos de C2, C1 e C0. O resultado pode ser visto na figura 17. Figura 17

10 12. Antes de dar início a simulação, temos que decidir que tipo será feita, funcional ou timing. A simulação funcional considera apenas o aspecto lógico do design, enquanto que a do tipo timing considera aspectos físicos com base no dispositivo selecionado na criação do projeto, o que pode gerar atrasos e até mesmo erros decorrentes de incompatibilidade entre o dispositivo e alguns componentes da biblioteca do Quartus. Para ambos os tipos primeiramente clique em Processing > Simulator Tool no menu do Quartus. A Janela da figura 18 será aberta. Figura 18 Simulator Tool Em Simulation Input escolha o arquivo que será simulado (arquivo de forma de onda com extensão.vwf) clicando no botão e selecionando o arquivo. Em Simulation Mode escolha o tipo de simulação, se for do tipo funcional clique no botão Generate Functional Simulation Netlist (isso não é necessário para timing ) e, então, para ambos os modos, clique em Start para iniciar a simulação, dê OK na janela que aparecerá e, caso não haja erros, clique em Report para ver o resultado da simulação. A figura 19 mostra o resultado da simulação funcional. Figura 19 Simulation Report

11 13. Para utilizar o FPGA é necessário antes se certificar que os drivers corretos estão instalados no computador. O Quartus possui os drivers necessários para Windows localizados em Diretório de Instalação/altera/91sp1/quartus/drivers/usb-blaster. Ligue o cabo USB que acompanha a placa na porta Blaster da mesma e em uma entrada USB do computador, quando o sistema pedir o local dos drivers para um novo dispositivo, especifique o caminho dado. 14. Temos que especificar os pinos do FPGA correspondentes as funções da placa que queremos utilizar, neste exemplo usaremos 1 LED vermelho para a saída e 3 SWITCHES para a entrada. O CD que acompanha a placa possui um arquivo que contém os nomes de todos os pinos e que função eles exercem na placa, então temos que importar esse arquivo para o nosso projeto. Em Assignments > Import Assignments... procure o arquivo DE2_pin_assignments.csv no CD em DE2_tutorials/design_files e dê OK. Após isso, em Assignments > Assignment Editor uma janela mostra uma lista completa de todos os pinos existentes no FPGA (figura 20), para utiizá-los temos que renomear os pinos do design para aqueles que pretendemos usar na placa. Consultando o manual da DE2 (raiz do CD/DE2_user_manual/DE2UserManual.pdf), páginas 26-29, vemos que podemos usar os switches SW[0], SW[1] e SW[2] e o led LEDR[0], bastando mudar o nome das variáveis C2, C1, C0 e L no modelo esquemático, não esquecendo de compilar após a mudança. Obs.: para confirmar se a ligação foi feita corretamente basta ver, no Assignment Editor, se o ícone ao lado da variável na coluna To torna-se para entrada ou para saída. Figura 20 Assignment Editor 15. Clique em Tools > Programmer e na janela que se abrir aperte Start, aguarde o fim do processo e faça os devidos testes na placa para checar se a saída do sistema está correta.