Introdução ao desenho de circuitos digitais usando Xilinx WebPACK 4.1 e linguagem ABEL
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- Ester Alcaide da Conceição
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1 Laboratórios Integrados I 1 Introdução ao desenho de circuitos digitais usando Xilinx WebPACK 4.1 e linguagem ABEL Introdução Este tutorial apresenta os principais passos associados à síntese de um circuito digital em CPLD utilizando a linguagem ABEL e o ambiente de desenvolvimento Xilinx WebPACK 4.1. Neste exemplo, o circuito digital a ser implementado é uma simples porta AND. No entanto, com a utilização da linguagem ABEL é possível a síntese de circuitos muito mais complexos de forma simples. Procedimento 1. Comece por abrir o programa WebPACK Project Navigator. Maximize a janela do aplicativo para poder ver melhor todas as partes.
2 Laboratórios Integrados I 2 2. Seleccione File -> New Project no menu do Project Navigator para criar um novo projecto. Aparece uma janela na qual são especificadas algumas opções do projecto: Escolha uma directoria adequada para armazenar os seus projectos no PC. Depois, insira o nome do projecto (intro). Não se esqueça de definir as Project Device Options da forma como aparece na figura, onde seleccionamos a CPLD e a linguagem que iremos utilizar. No final, clique em OK.
3 Laboratórios Integrados I 3 3. Vamos agora introduzir um ficheiro ABEL no projecto. No menu principal do Project Navigator seleccione Project -> New Source. Aparece uma janela onde podemos escolher o tipo de ficheiro fonte que desejamos incluir no projecto (módulo ABEL, esquemático, diagrama de estados, etc):
4 Laboratórios Integrados I 4 4. Como vamos utilizar a linguagem ABEL para o desenho do nosso circuito, seleccione a opção ABEL-HDL Module. Entre com o nome do ficheiro (intro) e clique em Next. OBS: Ao trabalhar com as ferramentas da Xilinx, não use nomes de ficheiros com mais de 8 caracteres. Aparece uma janela que permite definir o nome dos pinos do nosso módulo:
5 Laboratórios Integrados I 5 5. Entre com o nome dos pinos conforme aparece na figura e depois clique em Next (em alternativa, pode definir os nomes dos pinos depois, quando for editar o ficheiro ABEL). Aparece uma janela contendo informação sobre o esqueleto do ficheiro ABEL que vai ser criado pelo Project Navigator:
6 Laboratórios Integrados I 6 6. Clique em Finish. Repare que o ficheiro intro.abl foi introduzido na janela Sources in Project e o esqueleto do ficheiro criado pelo Project Navigator aparece na janela de edição. Repare também nos processos associados ao ficheiro ABEL, que aparecem na janela Processes for Current Source.
7 Laboratórios Integrados I 7 Neste ponto, editamos o nosso ficheiro ABEL.
8 Laboratórios Integrados I 8 7. Precisamos especificar o comportamento do nosso circuito. No exemplo deste tutorial, temos apenas uma equação (F = A & B). OBS: Se seleccionar Edit -> Language Templates, no menu do Project Navigator, tem acesso a um conjunto de templates contendo exemplos da estrutura e sintaxe da linguagem ABEL, bem como da construção de alguns blocos digitais básicos. 8. Se quisermos testar mais tarde o circuito usando o PC, temos que efectuar correctamente a atribuição dos pinos de entrada e saída do nosso circuito (neste caso, uma porta AND). Os sinais de entrada do circuito (A e B) serão fornecidos pelo PC, através da porta paralela, enquanto o sinal de saída (F) será ligado à um LED do display de 7 segmentos existente na board XS95 da Xess. Consultando o manual da board XS 95, podemos ver na página 18 que os pinos 46 e 47 correspondem aos pinos de saída da porta paralela PC_D0 e PC_D1, enquanto o pino 21 corresponde ao segmento S0 do display de 7 segmentos. OBS: Em vez de realizar a atribuição dos pinos no ficheiro ABEL, podemos ir à janela Processes for Current Source e seleccionar a opção Design Entry Utilities -> User Constraints -> Edit Implementation Constraints (Constraints Editor). Dentro do Xilinx Constraints Editor, seleccionamos a tab Ports e na coluna Location entramos com os números dos pinos precedidos pela letra P (por exemplo, P47).
9 Laboratórios Integrados I 9 9. Podemos definir ainda os vectores de teste, que serão utilizados mais adiante na simulação do circuito. Repare que ao introduzir os vectores de teste e gravar o ficheiro, na janela Sources in Project aparece a source intro-vectors. 10. Vamos agora compilar o nosso projecto. Seleccione o ficheiro ABEL na janela Sources in Project e clique no sinal + que aparece à frente da opção Compile Design para ver as etapas envolvidas na compilação do projecto. Faça um duplo clique em Compile Design para executar este processo. Isso faz com que todas as etapas envolvidas sejam executadas em sequência. As etapas completadas sem erros ou warnings recebem um visto verde. As etapas que falham devido a erros são marcadas com um X vermelho. As etapas que originam avisos (warnings) são identificadas por um sinal de exclamação (!) amarelo. Tanto as mensagens de aviso como as mensagens de erro, quando for o caso, podem ser visualizadas na janela de console do Project Navigator. OBS: Nesta etapa é que são detectados os erros de sintaxe na programação com a linguagem ABEL. Para experimentar, pode ver o que acontece quando retira o ponto e vírgula (;) da equação, grava o ficheiro e recompila o projecto. Observe a mensagem que aparece na janela de console. Corrija o erro e volte a compilar o projecto. 11. Se desejarmos, podemos ver o ficheiro com as equações sintetizadas pelo compilador ABEL. Para isso, clicamos no sinal + do processo Compile Logic e depois fazemos duplo clique em Compiled Equations. OBS: Se um visto verde não aparecer à frente da opção Compiled Equations significa que está a visualizar uma versão desactualizada do ficheiro de equações. Neste caso, clique com o botão direito do rato sobre a opção e seleccione Run ou Rerun).
10 Laboratórios Integrados I Vamos agora implementar o circuito na CPLD. Para isso, faça duplo clique no processo Implement Design da janela Processes for Current Source. Tal como no caso da compilação, um visto verde aparecerá na frente do processo se a implementação for bem sucedida.
11 Laboratórios Integrados I 11 Vamos passar agora à simulação do circuito. Para isso, faremos uso de um outro programa, denominado ModelSim. 13. Na janela Sources in Project seleccione os vectores de teste (intro-vectors). Na janela Processes for Current Source seleccione ModelSim Simulator e faça duplo clique na opção Simulate Behavioral VHDL Model. OBS: A opção Simulate Behavioral VHDL Model corresponde à simulação funcional do circuito. Já a opção Simulate Post-Fit VHDL Model tem em consideração, também, os tempos de propagação característicos do CPLD ou FPGA utilizado. Para iniciar a simulação, o Project Navigator executa o ModelSim, que abre quatro janelas separadas.
12 Laboratórios Integrados I Na janela que tem o título wave, clique com o botão direito do rato junto às formas de onda e seleccione Zoom Full para ver o gráfico completo. Verifique se os sinais de saída (neste caso, F) variam conforme o esperado em função das variações nos sinais de entrada. 15. Saia do simulador fechando a janela principal (que tem o título ModelSim... ). Vamos de seguida ver o relatório da simulação:
13 Laboratórios Integrados I De volta ao Project Navigator, na janela Processes for Current Source seleccione Simulation Reports e faça duplo clique na opção View VHDL Simulation Report. Caso o valor esperado de algum dos vectores de teste não coincida com o resultado obtido na simulação, aparece uma mensagem de erro no relatório. Como não é o caso, o relatório indica que os 4 vectores passaram no teste. Vamos agora gerar o ficheiro com o bitstream, que será usado para programar na CPLD o circuito especificado no projecto. Para isso utilizaremos o programa impact. 17. Na janela Sources in Project seleccione intro (intro-abl). Na janela Processes for Current Source, clique no sinal + à frente da opção Generate Programming File e faça duplo clique em Configure Device (impact). O impact vai abrir, falhar a tentativa de conexão com o cabo de download, e apresentar a seguinte mensagem:
14 Laboratórios Integrados I Faça OK. Aparece a seguinte janela: 19. Faça Cancel. Podemos agora aceder ao menu principal do impact.
15 Laboratórios Integrados I No menu do impact, seleccione Output -> Use File -> SVF File -> Create SVF File. Aparece uma caixa de diálogo. 21. Dê um nome para o ficheiro SVF que vai conter o bitstream e faça Save.
16 Laboratórios Integrados I Nesta altura o ficheiro ainda não foi escrito. Clique com o botão direito do rato no desenho do circuito integrado que aparece na janela do impact e seleccione a opção Program. Aparece uma janela com as opções de programação:
17 Laboratórios Integrados I Faça OK para aceitar as opções predefinidas. O impact vai executar o processo de escrita do ficheiro e indicar, de seguida, que a programação foi bem sucedida. Pode então sair do impact. Caso o programa pergunte se quer gravar as alterações diga que não.
18 Laboratórios Integrados I 18 Para programarmos de verdade a CPLD, vamos utilizar o programa GXSLOAD da Xess. OBS: É preciso ter a board XS95 ligada ao PC através do cabo da porta paralela e alimentada com +9V para efectuar a programação. 24. Execute o programa GXSLOAD do XSTOOLS.
19 Laboratórios Integrados I Verifique se o Board Type corresponde à board utilizada. Utilizando o Windows Explorer, navegue até a directoria principal do projecto para encontrar o ficheiro intro.svf, que criou utilizando o impact. Arraste este ficheiro para a janela do GXSLOAD com a indicação FPGA/CPLD e, a seguir, clique em Load. Se a programação for bem sucedida, podemos passar ao teste do circuito. 26. Execute o programa GXSPORT do XSTOOLS. Pode-se alterar o nível lógico dos bits da porta paralela (D0 a D7) com um clique do rato. Para enviar o novo valor para a CPLD, clique no botão Strobe. Lembre que atribuímos os pinos de entrada do circuito (A e B) a dois pinos de saída da porta paralela e atribuímos o pino de saída do circuito (F) a um LED do display de 7 segmentos. 27. Teste todas as combinações da entrada e veja se a saída responde como é esperado. E assim chegamos ao fim deste tutorial. Muitas funcionalidades do WebPACK e do ModelSim ficaram ainda por explorar. Porém, se seguiu os passos deste tutorial com êxito está apto a implementar circuitos digitais bem mais complexos do que este usando a linguagem ABEL.
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