Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων · 2017-09-04 · Μετάβαση...

Εισαγωγή στο Εργαστήριο

ΗΜΥΗΜΥ212111

Εργαστήριο Εργαστήριο Ψηφιακών ΣυστημάτωνΨηφιακών Συστημάτων

Εισαγωγή στο Εργαστήριο (Ψηφιακή λογική και Εργαστηριακός Εξοπλισμός)

Πανεπιστήμιο ΚύπρουΤμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Διδάσκoντες: Γιώργος Ζάγγουλος και Λάζαρος Ζαχαρία

Ατζέντα

1. Συζήτηση συμβολαίου

2. Μετάβαση στη ψηφιακή εποχή

3. Αριθμητικά συστήματα

4. Δυαδική λογική 4. Δυαδική λογική

5. Ψηφιακές πύλες AND, OR και NOT (Πίνακας Αληθείας)

6. Ελαχιστόροι (minterms) και Μεγιστόροι (maxterms)

7. SOP and POS (κανονικές και πρότυπες μορφές)

8. Συνδυαστικά κυκλώματα

9. Σχεδιασμός κυκλωμάτων στο Quartus II v13.0 S.P.1

Σεπτέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 2

1. Συζήτηση συμβολαίουΜέρες και Ώρες Εργαστηρίων Διδάσκων

Δευτέρα 18:00-21:00, Λάζαρος Ζαχαρία

Τρίτη 09:00-12:00 & 15:30-18:30 Γιώργος Ζάγγουλος

Παρασκευή 18:00-21:00 Λάζαρος Ζαχαρία

Ώρες Γραφείου: Με ραντεβού (καθημερινά)

Emails: [email protected], [email protected],

Τηλ. Εργαστηρίου ΛΑ132: 22892219

Youtube tutorials: ece labs ucy

Βοηθοί Μαθήματος:

Εργαστήριο Ψηφιακών ΣυστημάτωνΣεπτέμβριος 17 Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 3

Αναμενόμενα Αποτελέσματα Μαθήματος• Ικανότητα κατανόησης προβλημάτων, καθορισμού

προδιαγραφών και εξαγωγής απλοποιημένων λογικών εξισώσεων.

• Ικανότητα σχεδιασμού, προσομοίωσης και υλοποίησης βασικών συνδυαστικών και ακολουθιακώνκυκλωμάτων.

• Ικανότητα χρήσης εργαλείων ψηφιακής σχεδίασης για το σχεδιασμό κυκλωμάτων σύμφωνα με

• Ικανότητα χρήσης εργαλείων ψηφιακής σχεδίασης για το σχεδιασμό κυκλωμάτων σύμφωνα με προδιαγραφές.

• Ικανότητα ελέγχου και αντιμετώπισης βλαβών/λαθών σε ψηφιακά λογικά κυκλώματα.

• Ικανότητα ομαδικής εργασίας και αποδοτικής επικοινωνίας με τα υπόλοιπα μέλη της ομάδας.


Χρήση Υπολογιστή:• Θα χρησιμοποιηθεί το Altera Quartus II version 13.0 SP1 (web

edition) σε προσωπικό υπολογιστή (με Windows) για σχηματική και VHDL περιγραφή καθώς και προσομοίωση των ψηφιακών κυκλωμάτων. Θα γίνει επίσης χρήση του Logic Simulator για δημιουργία και προσομοίωση ψηφιακών κυκλωμάτων.

Χρήση Υλικού Εργαστηρίου:• Κάθε σταθμός εργασίας στο εργαστήριο αποτελείται από μια • Κάθε σταθμός εργασίας στο εργαστήριο αποτελείται από μια

πλακέτα υλοποίησης κυκλωμάτων με breadboard που περιέχει γεννήτρια σημάτων, διατάξεις χρονισμού, διακόπτες και ενδείκτες.

• Κάθε σταθμός διαθέτει επίσης μία εκπαιδευτική διάταξη της Altera με ολοκληρωμένα προγραμματιζόμενης λογικής “Family: Cyclone II, Device: EP2C20F484C7” στην οποία θα φορτώνονται οι σχεδιασμοί σας για μελέτη και έλεγχο σε πραγματικές συνθήκες.


Περιεχόμενο Μαθήματος:• Εισαγωγή στις λογικές πύλες AND, OR και NOT.

• Εισαγωγή στις πύλες NAND, NOR και XOR.

• Συνδυαστική λογική: Σχεδιασμός Πλήρους Αθροιστή, Πολυπλέκτη και Αποκωδικοποιητή

• Στοιχεία Μνήμης: Μανδαλωτής SR, D και JK flips-flops. Σχεδιασμός Μετρητή Ριπής (Ripple Counter).

• Καταχωρητές και Μετρητές: Σχεδιασμός Οικουμενικού Καταχωρητή Ολίσθησης, Κυκλικού Μετρητή και

• Καταχωρητές και Μετρητές: Σχεδιασμός Οικουμενικού Καταχωρητή Ολίσθησης, Κυκλικού Μετρητή και Μετρητή BCD.

• Τελικό Project Σχεδιασμού (περιλαμβάνει: προγραμματισμό σε VHDL, σχεδιασμό, προσομοίωση και υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου ψηφιακού συστήματος με χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτωνκαι προγραμματιζόμενων διατάξεων).


Αξιολόγηση

• Σύντομες ασκήσεις εντός εργαστηρίου 15%

• Ενδιάμεση Εξέταση 30%

• Τελικό Project (και με χρήση VHDL) 15%

• Τελική Εξέταση (εφ’ όλης της ύλης) 40%

Εργασίες Βελτίωσης Βαθμού

• Κατασκευή (με παρουσίαση ppt/video) 15% ή

• Δημιουργία εκπαιδευτικού βίντεο 10%


Απαραίτητες προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα είναι: • Η ολοκλήρωση όλων των εργαστηριακών

ασκήσεων και του τελικού πρότζεκτ και

• Η εξασφάλιση συνολικού βαθμού >= 50%• Οι αντίστοιχες μονάδες από την εργασία βελτίωσης βαθμού

θα δίνονται ΜΟΝΟ σε φοιτητές που έχουν εξασφαλίσει συνολικά το 40% στις δύο εξετάσεις.συνολικά το 40% στις δύο εξετάσεις.

• Φοιτητές που ενδιαφέρονται να κάνουν τέτοια εργασία θα πρέπει να επιλέξουν θέμα και να το δηλώσουν στον διδάσκοντα για έγκριση μέχρι τις 27/10/2017. Η εργασία μπορεί να είναι ατομική ή ομαδική και πρέπει να ολοκληρωθεί και να παραδοθεί μέχρι την 01/12/2017.

• Οι παρουσιάσεις και τα βίντεο θα αναρτώνται στο διαδίκτυο (youtube channel: ece labs ucy).


Κανόνες ΔεοντολογίαςΌλοι οι φοιτητές του Πανεπιστημίου Κύπρου οφείλουν να γνωρίζουν και τηρούν τους Νόμους, Κανονισμούς, Κανόνες και επίσημες οδηγίες και ανακοινώσεις που τους αφορούν. Μια σύντομη περίληψη υπάρχει στο Εγχειρίδιο του Εργαστηρίου. Για να επιτραπεί η είσοδος στο εργαστήριο πρέπει να υπογραφεί η δήλωση κατανόησης των κανόνων δεοντολογίας και να παραδοθεί στον διδάσκοντα. δεοντολογίας και να παραδοθεί στον διδάσκοντα.

Εργασίες οι οποίες έχουν σημαντική αλληλοεπικάλυψη συνιστούν παραβίαση της ακαδημαϊκής δεοντολογίας και θα αναφέρονται στο Συμβούλιο του Τμήματος και στην Σύγκλητο του Πανεπιστημίου. Ο διδάσκων δύναται να χρησιμοποιήσει κατάλληλα εργαλεία λογισμικού για να ελέγχει ενδεχόμενη λογοκλοπία ή και αντιγραφή από συμφοιτητές ή και φοιτητές από προηγούμενα έτη.


2. Μετάβαση στη ψηφιακή εποχή

• Αναλογικό ή Ψηφιακό σύστημα;

• Ψηφιοποίηση αναλογικού σήματος (ADC – DAC)

• Γιατί επιλέγουμε ψηφιακά συστήματα;

• Πλεονεκτήματα Αναλογικών Συστημάτων

Παραδείγματα Τεχνολογικής Εξέλιξης

• Κασετόφωνο � CD player � mp3 player

• Αναλογική � Ψηφιακή Τηλεόραση

• Τηλεπικοινωνίες (Κινητή, Διαδίκτυο)

• Συστήματα Αυτοματισμού


3. Αριθμητικά συστήματα• Εκτός από το δεκαδικό σύστημα το οποίο

διδασκόμαστε σχεδόν αποκλειστικά στο σχολείο, υπάρχουν και άλλα αριθμητικά συστήματα τα οποία χρησιμοποιούν διαφορετικό αριθμό ψηφίων (ίσο με τη βάση τους) όπως π.χ. το δυαδικό (0 και 1), το οκταδικό (0–7), και το δεκαεξαδικό (0-9, α,b,c,d,e,f).οκταδικό (0–7), και το δεκαεξαδικό (0-9, α,b,c,d,e,f).

• Η μετατροπή των αριθμών από το ένα σύστημα στο άλλο είναι πολύ απλή αν θυμάστε ότι η βαρύτητα του κάθε ψηφίου αντιστοιχεί με την τιμή του ψηφίου πολλαπλασιασμένη με τη βάση του συστήματος στην δύναμη x, όπου x η θέση του ψηφίου (0,1,2,3…)

• π.χ. 1ab16 = 11*16^0 + 10*16^1 + 1*16^2 = 11+160+256 = 42710


4. Δυαδική λογική• Ασχολείται με μεταβλητές που παίρνουν 2 διακριτές

τιμές (0 και 1) και με λογικές (δυαδικές) πράξεις.

• 3 βασικές πράξεις: AND, OR, NOT

• Οι Δυαδικές/Λογικές μεταβλητές αναπαριστούνται από γράμματα: A,B,C,…,X,Y,Z

• Οι βασικοί λογικοί τελεστές είναι: AND (•), OR (+)και NOT (’)

• Παραδείγματα Συναρτήσεων F(vars) = έκφραση:

F(a,b) = a•b (F = 1 αν και μόνο αν a=b=1)

G(a,b) = a+b (G = 1 αν a =1 ή αν b=1)

H(a) = a’, (H = 1 μόνο αν a = 0)Σεπτέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 12

4. Δυαδική λογική

• Λογικό AND ενός bit (1-bit), μοιάζει με δυαδικό πολλαπλασιασμό:

0 • 0 = 0, 0 • 1 = 0,

1 • 0 = 0, 1 • 1 = 1

• Λογικό OR ενός bit (1-bit), μοιάζει με δυαδική • Λογικό OR ενός bit (1-bit), μοιάζει με δυαδική πρόσθεση, εκτός από μία πράξη:

0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1,

1 + 0 = 1, 1 + 1 = 1 (≠ 102)


5. Λογικές πύλες AND, OR και NOT

Οι λογικές πύλες λειτουργούν με ένα ή περισσότερα σήματα εισόδου και παράγουν ένα σήμα εξόδου.

AND 2-Εισόδων OR 2-Εισόδων NOT (Αντιστροφέας)

Σεπτέμβριος 17 Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων

AND 2-Εισόδων OR 2-Εισόδων NOT (Αντιστροφέας)

A A AB BF G H

F = AF = A••BB G = A+BG = A+B H = A’H = A’

Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 14

Λογικές πύλες (πίνακας αληθείας)

AA BB F=AF=A••BB

AND 2-Εισόδων

AA BB F=AF=A++BB

OR 2-Εισόδων

Πίνακας Αληθείας: μορφή πίνακα που εκφράζει μοναδικά τη σχέση

μεταξύ των μεταβλητών εισόδου μιας συνάρτησης και των εξόδων

της


AA BB F=AF=A••BB

00 00 00

00 11 00

11 00 00

11 11 11

AA BB F=AF=A++BB

00 00 00

00 11 11

11 00 11

11 11 11

AA F=AF=A’’

00 11

11 00

NOT

Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 15

6. Ελαχιστόροι (minterms) και Μεγιστόροι (maxterms)

• Κάθε ελαχιστόρος συμβολίζεται με mj, όπου j είναι το δεκαδικό ισοδύναμο του ελαχιστόρου του αντίστοιχου δυαδικού συνδυασμού (bj).

• Παράδειγμα: Υποθέστε 3 μεταβλητές (A,B,C), και j =3. Τότε, bj = 011 και ο αντίστοιχος ελαχιστόρος συμβολίζεται με m = A’BCσυμβολίζεται με mj = A’BC

• Κάθε μεγιστόρος συμβολίζεται με Mj, όπου j είναι το δεκαδικό ισοδύναμο του μεγιστόρου του αντίστοιχου δυαδικού συνδυασμού (bj).

• Παράδειγμα: Υποθέστε 3 μεταβλητές (A,B,C), και j =3. Τότε, bj = 011 και ο αντίστοιχος μεγιστόρος συμβολίζεται με Mj = A+B’+C’


7. SOP και POS (Άθροισμα γινομένων και Γινόμενο Αθροισμάτων)

• f1(a,b,c)

• Η κανονική SOP μορφή της f1 είναιf1(a,b,c) = m1 + m2 + m4 + m6

= a’b’c + a’bc’ + ab’c’ + abc’

aa bb cc ff11

00 00 00 00

00 00 11 11

00 11 00 11

• Η κανονική POS μορφή της f1 είναιf1(a,b,c) = M0 • M3 • M5 • M7

= (a+b+c)•(a+b’+c’)•(a’+b+c’)•(a’+b’+c’)

• Παρατηρήστε ότι: mj = (Mj)’


00 11 00 11

00 11 11 00

11 00 00 11

11 00 11 00

11 11 00 11

11 11 11 00Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 17

8. Συνδυαστικά Κυκλώματα

• Τα συνδυαστικά κυκλώματα ΔΕΝ περιλαμβάνουν στοιχεία μνήμης (Flip-Flops) και ΔΕΝ απαιτούν σήμα χρονισμού (clock).

• Η συνάρτηση (έξοδος) F παίρνει τιμές ανάλογα με την κατάσταση των εισόδων A, B, C.


A

B

C

F

Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 18

Προσομοίωση Συνδυαστικών Κυκλωμάτων

A

B

1

1

0

0

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6

Σήματα εισόδου Μεταβάσεις


F=A••B

G=A+B

H=A’

1

1

10

0

0Σήματαεξόδουπυλών

Προϋπόθεση:Ο χρόνος μετάδοσης του σήματος μεταξύ πυλών είναι αμελητέος (0)

Γ.Ζ. και Λ.Ζ. - 19

9. Σχεδιασμός στο Quartus II v13.0 S.P.1

Δημιουργία Αρχείου Πρότζεκτ (.qpf)

Με την εκκίνηση της εφαρμογής Quartus II v13.0 SP1 web edition, επιλέξτε File και επιλέξτε File και σύρετε το ποντίκι σας προς τα κάτω για να επιλέξετε New


New Quartus II Project File

Eπιλέξτε:New Quartus II New Quartus II Project και μετά ΟΚ


Επιλογή Φακέλου για το Πρότζεκτ

Από το πρώτο browse button επιλέξτε τον φάκελο στον οποίο επιθυμείτε να δημιουργήσετε το νέο σας πρότζεκτ.δημιουργήσετε το νέο σας πρότζεκτ.

Στους Η.Υ. του Πανεπιστημίου θα πρέπει ο φάκελος αυτός να είναι στην επιφάνεια εργασίας (Desktop).


Επιλογή ονόματος για το Πρότζεκτ

Μετά από την επιλογή φακέλου, δώστε στο 2ο

κουτί το όνομα που επιθυμείτε να έχει το νέο σας πρότζεκτ. Αυτόματα αυτό εισάγεται και στο 3ο

κουτί ως Top-Level DesignEntity (αυτό είναι το κουτί ως Top-Level DesignEntity (αυτό είναι το πρωτεύον αρχείο του πρότζεκτ σας). Για να θέσετε κάποιο άλλο σχεδιασμό ως Top Level Entity, μπορείτε να το κάνετε από την επιλογή Project / Set as top-level entity.


Προσθήκη / Αφαίρεση Αρχείων στο Πρότζεκτ

Πατήστε απλά OK για να συνεχίσετε αν τώρα δημιουργείτε το πρότζεκτ σας. Στην περίπτωση που θέλετε να προσθέσετε ή να αφαιρέσετε κάποιο αρχείο αργότερα, μπορείτε να φτάσετε σε αυτό το φτάσετε σε αυτό το παράθυρο επιλέγοντας Project και μετά Add / Remove Files. Επιλέγοντας Add All μπορείτε να προσθέσετε στο πρότζεκτ όλα τα αρχεία που εμφανίζονται σε αυτό το παράθυρο.


Επιλογή ολοκληρωμένου (FPGA)

Family:Cyclone II

Model:EP2 C20F 484C7


Επιπλέον Ρυθμίσεις


Περίληψη Ρυθμίσεων Πρότζεκτ


Δημιουργία Σχηματικού (Schematic File)

Όπως και με τη δημιουργία του αρχείου του πρότζεκτ, επιλέξτεFile και σύρετε το File και σύρετε το ποντίκι σας προς τα κάτω για να επιλέξετε Block Diagram / Schematic File για τη δημιουργία σχηματικού (κυκλώματος)


Εισαγωγή Στοιχείων στο Σχηματικό

Για την εισαγωγή των απαιτούμενων στοιχείων του κυκλώματος, κάντε διπλό αριστερό κλικ στην επιφάνεια εργασίας του σχηματικού για να ανοίξει το παράθυρο “Symbol”. Σε αυτό πληκτρολογείτε το όνομα του στοιχείου που ψάχνετε όπως input ή outputψάχνετε όπως input ή outputγια εξωτερικά σήματα εισόδου / εξόδου, or2 για την πύλη OR 2 εισόδων και and3 για την πύλη AND με 3 εισόδους.Όταν βρείτε αυτό που ψάχνετε, επιλέξτε OK για να το τοποθετήσετε στο σχηματικό σας με αριστερό κλικ.


Ολοκλήρωση τοποθέτησης στοιχείου εισόδου

Εδώ βλέπετε την τοποθέτηση μιας θύρας εισόδου στο σχηματικό. Όπως και στα windows, με διπλό αριστερό κλικ στο όνομα του στοιχείου, μπορούμε να την μπορούμε να την μετονομάσουμε.Για τις συνδέσεις των στοιχείων μεταξύ τους επιλέξτε το 3ο από δεξιά εικονίδιο (wire) και συνδέστε τους ακροδέκτες μεταξύ τους.


Εισαγωγή Πύλης OR(2-inputs) στο Σχηματικό


Ολοκληρωμένος Σχεδιασμός

2 θύρες εισόδου (Α και Β), 1 πύλη OR με 2 εισόδους, 1 θύρα εξόδου (Υ)


Συμβολομετάφραση και έλεγχος λαθών


Δημιουργία αρχείου προσομοίωσης


Εισαγωγή σημάτων εισόδου/εξόδου στην προσομοίωση

Με αριστερό κλικ στο αριστερό μέρος του παραθύρου θα εμφανιστεί το μικρότερο παράθυρο που βλέπετε.μικρότερο παράθυρο που βλέπετε.Επιλέξτε Insert Node or Bus για να μεταβείτε στο επόμενο παράθυρο αναζήτησης σημάτων εισόδου/εξόδου


Εισαγωγή σημάτων εισόδου/εξόδου στην προσομοίωση

Επιλέξτε Node Finder για να μεταβείτε στο επόμενο παράθυρο αναζήτησης σημάτων εισόδου/εξόδουεισόδου/εξόδου


Εμφάνιση σημάτων εισόδου/εξόδου

Επιλέξτε List για να δείτε αμέσως όλα τα σήματα εισόδου/εξόδου που εντοπίστηκαν (στο σχεδιασμό Top Level που εντοπίστηκαν (στο σχεδιασμό Top Level Entity) στο αριστερό μέρος του παραθύρου (Nodes Found)


Επιλογή σημάτων εισόδου/εξόδου

Επιλέξτε List για να δείτε αμέσως όλα τα σήματα εισόδου/εξόδου που εντοπίστηκαν (στο σχεδιασμό Top Level που εντοπίστηκαν (στο σχεδιασμό Top Level Entity) στο αριστερό μέρος του παραθύρου (Nodes Found)


Καθορισμός Κατάστασης Εισόδων

Επιλέξτε την είσοδο (π.χ. Α) που επιθυμείτε να καθορίσετε (με επιθυμείτε να καθορίσετε (με αριστερό κλικ στο όνομα της) και έπειτα με δεξί κλικ στο πεδίο του χρόνου επιλέξτε Value και Count Value


Καθορισμός Κατάστασης Εισόδων και Εκτέλεση Προσομοίωσης

Οι είσοδοι σε οποιοδήποτε σχεδιασμό ελέγχεται πρέπει να παίρνουν όλες τις πιθανές καταστάσεις, έτσι ώστε ο έλεγχος να είναι ολοκληρωμένος. 00 01 10 11

Έναρξη Προσομοίωσης

Με άλλα λόγια, θα πρέπει στην προσομοίωση να φαίνονται όλες οι γραμμές του πίνακα Αληθείας (καταστάσεων) ενός κυκλώματος.

Από το simulation επιλέξτε options και επιλέξτε Quartus II simulator


Αποτελέσματα Προσομοίωσης

00 01 10 11Α Β Υ

0 0 0

Πίνακας Αληθείας OR

0 1 1 1

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1


Για εγκατάσταση του Quartus II, V13.0 SP1, θα χρειαστεί να επισκεφθείτε την ιστοσελίδα www.altera.com και από το download centre να κατεβάσετε 3 αρχεία (αφού δημιουργήσετε λογαριασμό):

1. Quartus II, 13.0 SP1 web edition2. Quartus II Help 13.03. Device: Cyclone II for web edition 13.0 SP1

Τρέξτε αρχικά το αρχείο Quartus II, 13.0 SP1 web edition. Η εγκατάσταση θαΤρέξτε αρχικά το αρχείο Quartus II, 13.0 SP1 web edition. Η εγκατάσταση θαπάρει αρκετό χρόνο! Με την ολοκλήρωσή της, θα σας ζητηθεί να εγκαταστήσετεDevices. Από το browse επιλέξτε C/Altera/13.0 sp1/Quartus/bin (αφούπροηγουμένως βάλετε εκεί το αρχείο για τη συσκευή Cyclone II. Τέλος τρέξτεκαι το Quartus II Help 13.0 για να ολοκληρώσετε την εγκατάσταση.

Σημείωση: Το εργαστήριο ΛΑ130 είναι ανοικτό 24/7 για όλους σας (εκτός από τις ώρες που χρησιμοποιείται για διδασκαλία). Ο φύλακας μπορεί πάντοτε να σας ανοίξει το εργαστήριο ΛΑ130 (ΌΧΙ το ΛΑ132) με την επίδειξη της φοιτητικής σας ταυτότητας.


Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων · 2017-09-04 · Μετάβαση...

Documents

Transcript of Εργαστήριο Ψηφιακών Συστημάτων · 2017-09-04 · Μετάβαση...