Liczniki z zastosowaniem FPGA i µc Fizyka Medyczna, studia II stopnia, Dozymetria i elektronika w medycynie 1
Liczniki Rodzaje implementacji: Układy średniej skali integracji MSI Mikrokontroler Układ FPGA 2
Przerzutnik D Q n+1 = D CLK D Q n Q n+1 0 x 0 kasowanie 1 x 1 ustawianie n+1 oznacza nstępny stan wyjścia Q tzn. po narastającym zboczu zegara WSTiE, Sucha Beskidzka, Informatyka - Elektronika 3
Przerzutnik J-K CLK J K Q n Q n+1 0 0 x Q n trzymanie 0 1 x 0 kasowanie 1 0 x 1 ustawianie 1 1 x Q n zamiana x x x Q n JK Q 0 1 00 0 1 01 0 0 11 1 0 10 1 1 Q n+1 = JQ n + K Q n WSTiE, Sucha Beskidzka, Informatyka - Elektronika 4
Przerzutnik T T CLK T Q n Q n+1 0 x Q n trzymanie 1 x Q n zamiana x x Q n T Q 0 1 0 0 1 1 1 0 Alternatywa wykluczająca Q n+1 = Q n T + Q n T = Q n T WSTiE, Sucha Beskidzka, Informatyka - Elektronika 5
Licznik asynchroniczny 1 clk T D1 clk D1 D2 1 T 1 T clk D1 D2 6
Licznik asynchroniczny T T T T 7
Licznik synchroniczny 1 clk T D1 clk D1 D2 1 T T clk D1 D2 8
Licznik synchroniczny T T T T 9
Licznik - MSI Polaryzacja diod a Polaryzacja diod a f g b f g b e d c e d c g f e d c b a g f e d c b a 74x47 BCD -> 7seg 74x47 BCD -> 7seg Q A Q B Q C Q D Q A Q B Q C Q D Binary -> BCD Q A Q B Q C Q D 74x163 10
Licznik w µc Podłącz wyjście przetwornika do wejścia wychwytującego CAP2.1 układu czasowego LPC_TIM2 +3.3V U/f 3 P0.5 NXP LPC 1768 (ARM Cortex M3) Wyświetlacz graficzny Land Tiger 11
GPIO Wyświetlacz graficzny Mikrokontroler Mikrokontroler LPC 1768 DAC I2S PWM WDT ADC UART Rdzeń ARM Cortex M3 SPI CAN Ethernet DMA Impulsy wejściowe TIMER USB I2C RTC 12
Układ czasowy TIMER Cztery identyczne układy czasowe Timer/Counters. Każdy posiada dwa wejście wychwytujące Capture oraz dwa wyjścia sygnalizacji zgodności Match. Liczniki 32-bitowe z programowalnym 32-bitowym preskalerem. Dwa tryby pracy: licznik Counter lub układ czasowy Timer Up to two 32-bit capture channels per timer, that can take a snapshot of the timer value when an input signal transitions. A capture event may also optionally generate an interrupt. Cztery 32-bitowe rejestry porównujące (match registers) that allow: Continuous operation with optional interrupt generation on match. Stop timer on match with optional interrupt generation. Reset timer on match with optional interrupt generation. Cztery zewnętrzne wyjścia odpowiadające rejestrom porównującym o następujących akcjach gdy licznik główny osiągnie wartość przechowywaną w rejestrze porównawczym: Ustaw nisko Ustaw wysoko Zmień stan na przeciwny TIMER0 Nie zmieniaj stanu. Przerwanie 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 TIMER1 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 Impulsy wejściowe TIMER2 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 TIMER3 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 13
Licznik w µc TIMER0 pracuje w trybie układu czasowego wyznaczającego czas otwarcia bramki TIMER2 pracuje w trybie licznika zliczającego zbocza narastające impulsów przychodzących na wejście CAP2.1 int main (void) { uint32_t TimerInterval; SystemInit(); SystemCoreClockUpdate(); TimerInterval = SystemCoreClock; //1s lcdinit(); init_counter2_ch1(); init_timer(0, TimerInterval); while (1) { } } void TIMER0_IRQHandler (void) { int k; int del = 127; uint32_t val; LPC_TIM0->TCR = 0x0000; //stop timer LPC_TIM2->TCR = 0x0000; //stop counter LPC_TIM0->IR = 1; //clear interrupt flag val = LPC_TIM2->TC; for (k=0; k < 7; k++) printf("%c",del); colour = LCDWhite; posx = 76; printf("%d", val); LPC_TIM2->TCR = 0x0002; //reset counter LPC_TIM2->TCR = 0x0001; //start counter LPC_TIM0->TCR = 0x0001; //start timer posx = 76; colour = LCDBlack; return; } 14
LPC 1768 impulsy GND 15
Licznik - FPGA Podłącz wyjście przetwornika do wejścia licznika BCD z wyświetlaczem LCD przygotowanym na płycie FPGA. +3.3V U/f 3 V14 FPGA LCD Spartan 3AN starter kit Implementacja licznika 16
Matrycowy moduł LCD E RW RS BF Wyświetlacz LCD CG RAM DD RAM DB[7:0] Licznik Adresu Rejestr Danych BF Busy Flag znacznik zajętości magistrali 2018-05-29 Rejestr Komendy typ HD44780 Wyświetlacz LCD 17
Licznik - FPGA clk rst FPGA E RW RS DB [7:0] Sterowanie LCD 4 4 4 Licznik BCD 4 in Detektor zbocza narastającego Licznik Modulo 10 Licznik Modulo 10 Licznik Modulo 10 Licznik Modulo 10
Blok wejściowowyjściowy (I/O Block IOB) Pionowy kanał łączeniowy (Vertical Routing Channel) Konfigurowalny blok logiczny (Configurable Logic Block CLB) Element kluczujący (Switch Box - SB) Element łączący (Connection Box - CB) Poziomy kanał łączeniowy (Horizontal Routing Channel) Siatkowe FPGA składa się z matrycy konfigurowalnych bloków logiki (Configurable Logic Blocks - CLBs), z których każdy składa się z klastra podstawowych Elektroniczna Aparatura elementów Dozymetryczna, logicznych (Basic Logic Elements -BLEs)., które 19 składają się z pamięci podręcznej (Look-Up Table) iwfiis, przerzutnika AGH (Flip-Flop).
Architektura FPGA Siatkowe FPGA składa się z matrycy konfigurowalnych bloków logiki (Configurable Logic Blocks - CLBs), z których każdy składa się z klastra podstawowych elementów logicznych (Basic Logic Elements -BLEs), które składają się z pamięci podręcznej (Look-Up Table) i przerzutnika (Flip-Flop). Elementy kluczujące (Switch boxes - SB) łączą poziome i pionowe ścieżki sieci połączeniowej. Elementy łączące (Connection Boxes CB) łączą bloki logiczne CLB i bloki wejścia-wyjścia IOB z sąsiadującymi ścieżkami sieci połączeniowej. Sieć połączeniowa FPGA zajmuje 80-90% powierzchni układu. Powierzchnia logiki zajmuje 10-20%. Elastyczność FPGA zależy głównie od jego programowalnej sieci połączeniowej. Dlatego mówi się też o architekturze wyspowej wyspy logiki w morzu zasobów połączeniowych. 20
Switch Box Switch Box Connection Box Switch Box Switch Box Zasoby połączeniowe wokół jednego bloku CLB z segmentami śćieżek długości 1 21
Spartan-3AN System Gates Equivalent Logic Cells CLBs Slices Maksymalna liczba linii I/O XC3S700AN 700k 13248 1472 5888 372 V14 GND Źródło impulsów 22
Liczba CLB: n CLB = 1 472 szt. Jeden CLB składa się z czterech SLICE-ów: Liczba SLICE: n SLICE = n CLB 4 = 5 888 szt. XC3S700AN Jeden SLICE składa się z dwóch komórek logicznych LC: Liczba LC: n LC = n SLICE 2 = 11 776 szt. Równoważna komórka logiczna ELC jest obliczana ze współczynnikiem 1,125: Liczba ELC: n ELC = 1,125 n LC = 13 248 szt. Liczba bramek systemowych wynika ze skomplikowanych przeliczeń poszczególnych elementów układu na dwuwejściowe bramki NAND i ma charakter raczej marketingowy. Spartan-3AN System Gates Equivalent Logic Cells CLBs Slices Maksymalna liczba linii I/O XC3S700AN 700k 13248 1472 5888 372 AGH, WFiIS, IS, st.i, HDL 23
Licznik - FPGA Model licznika modulo 10 napisany w języku Verilog `timescale 1ns / 1ps ///////////// module cnt_modulo10 (input clk, rst, en, output reg [3:0] dig_out); always @(posedge clk, posedge rst) if(rst) dig_out <= 4'b0000; else if(en) if(dig_out == 4'b1001) dig_out <= 4'b0000; else dig_out <= dig_out + 4'b0001; endmodule 24
Model RTL w HDL Synteza logiczna Przebieg konfiguracji Mapowanie technologii Klastrowanie Rozmieszczanie Wyznaczania tras połączeń Generacja strumienia bitowego strumień bitowy 25
Automatyczna synteza licznika BCD Narzędzie: Synplify 26