Politechnika iałostocka Wydział Elektryczny Katedra utomatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: TEHNIK YFROW 2 TS1300 020 Ćwiczenie Nr 7 LIZNIKI INRNE FUNKJE LIZNIK LPM_ounter Opracował: dr inż. Walenty Owieczko IŁYSTOK 2013
Spis treści instrukcji 1. el ćwiczenia... 2 2. Klasyfikacja i parametry liczników.... 2 3. Licznik LPM_ounter 3 4. Projektowanie liczników o zadanej pojemności. 8 5. zynności przygotowawcze... 10 6. Przebieg ćwiczenia 10 7. Sprawozdanie i forma zaliczenia ćwiczenia... 11 8. Literatura.. 11 1. EL ĆWIZENI Poznanie podstawowych parametrów, sposobów projektowania oraz zastosowań liczników dwójkowych. Funkcje konfigurowalnego licznika LPM_ounter. 2. KLSYFIKJ I PRMETRY LIZNIKÓW Licznik - układ cyfrowy służący do zliczania i pamiętania liczby zmian impulsów na wejściu zliczającym. Licznik może posiadać wejście wstępnego ustawiania stanu (wejście zerujące bądź wejścia do wpisywania niezerowego stanu początkowego). Pojemność licznika (długość cyklu, okres licznika) - maksymalna liczba różnych stanów licznika. Pojemność licznika określa liczba przerzutników N, a jej wartość P 2 N. Ze względu na długość cyklu, liczniki mogą być: o stałej długości cyklu o zmiennej długości cyklu Liczniki zliczające w kodzie N zwie się dwójkowymi, zaś w kodzie D - licznikami dziesiętnymi (dekadami). Licznik, w którym kolejne stany odpowiadają rosnącym wartościom liczb w danym kodzie - licznik zliczający w przód (licznik zliczający w górę, licznik następnikowy). Przy odwrotnym kierunku zliczania - licznik zliczający wstecz (licznik zliczający w dół). Wśród scalonych liczników występują także liczniki o przełączanym kierunku zliczania (tzw. liczniki rewersyjne). Ze względu na sposób reagowania na impulsy wejściowe liczniki dzieli się na synchroniczne i asynchroniczne. Liczniki synchroniczne impulsy zliczane podaje się na odpowiednie wejście informacyjne przerzutników, taktowanych sygnałem zegarowym. Zmiany sygnału zegarowego wyznaczają chwile jednoczesnych przełączeń wszystkich przerzutników licznika. W licznikach asynchronicznych impulsy zliczane podaje się na wejście taktujące przerzutnika. 2
Używany w laboratorium system projektowy D umożliwia stosowanie w projektach oprócz liczników ze standardowej serii 74xx również liczników parametryzowanych z biblioteki LPM (Library of Parametrized Module). Układy z tej biblioteki są zoptymalizowane pod względem wykorzystania zasobów sprzętowych układu programowalnego oraz umożliwiają dopasowanie bloków funkcjonalnych do konkretnego projektu. W bibliotece LPM znajduje się uniwersalny, parametryzowany licznik LPM_ounter. lok ten może być wykorzystywany zarówno w projekcie graficznym jak i w projekcie tekstowym (VHDL, HDL). Licznik LPM_ounter jest rekomendowany przez firmę ltera do wykorzystywania we wszystkich projektach. 3. LIZNIK LPM_ounter lok LPM_ounter jest licznikiem dwukierunkowym, z możliwością synchronicznego i asynchronicznego ładowania, zerowania, ustawiania oraz z możliwością pracy w trybie licznika modulo n. Maksymalna liczba bitów tego licznika wynosi 64. Licznik LPM_ounter ma możliwość ustawienia pojemności na cztery różne sposoby. Porty sterujące działaniem licznika w sposób synchroniczny mają nazwy zaczynające się literą s, natomiast porty sterujące w sposób asynchroniczny mają nazwy zaczynające się literą a. Symbol licznika używany w trybie graficznym jest przedstawiony na rysunku 1. Rys. 7-1. Symbol licznika LPM_ounter Po dwukrotnym kliknięciu w symbol licznika, pokazuje się okno z jego modelem w języku HDL. by przejść do okna konfiguracji, należy dwukrotnie kliknąć pole parametrów (w prawym górnym rogu symbolu LPM_ounter). 3
Okno konfiguracji przedstawiono na rys. 2. Rys. 7-2. Okno konfiguracji bloku LPM_ounter Pole Ports umożliwia konfigurację wejść i wyjść licznika. Można włączyć ( used ) lub wyłączyć ( unused ) poszczególne wejścia lub wyjścia układu. Możliwa jest negacja poszczególnych sygnałów ( inversion ) lub ustawienie stałych poziomów ( pattern ). Pole Parameters służy do ustawiania poszczególnych parametrów licznika. Po wybraniu wskaźnikiem parametru z przewijanej listy, jego nazwa pojawia się w polu Parametr Name i wówczas pożądaną wartość wpisujemy w polu Parametr Value. Wpis zatwierdzamy przyciskiem hange. Przycisk Help on LPM_OUNTER otwiera okno z pomocą w którym jest opis wszystkich parametrów. Tabele 1 4 zawierają podstawowe parametry liczników LPM_ounter, rodzaje wejść, wyjść oraz opis podstawowych funkcji. Tabela 1: Porty wejściowe licznika LPM_ounter Port: Wymagany: Opis: Komentarz: data[] Równoległe wejście danych Port wejściowy o szerokości LPM_WIDTH. Wykorzystywany z aload lub sload. 4
clock Tak Wejście sygnału taktującego. ktywne zbocze narastające. clk_en Wejście lock Enable. Zezwolenie na działanie w trybie synchronicznym. Domyślnie = 1 (zezwolenie aktywne). cnt_en Wejście ount Enable. lokuje zliczanie gdy jest poziom niski (0) bez wpływu na sload, sset oraz sclr. Domyślnie = 1 (nie blokuje). updown Steruje kierunkiem zliczania. High (1) = zliczanie w górę. Low (0) = zliczanie w dół. Domyślnie (1) zliczanie w górę. Jeśli parametr LPM_DIRETION jest użyty, port updown nie może być podłączony. Jeśli LPM_DIRETION nie jest użyty, obecność portu updown jest opcjonalna. cin arry-in to the low-order bit. Default = 1 (V). aclr Wejście asynchronicznego zerowania. Domyślnie = 0 (nieaktywne). Jeśli zostaną uzyte i wystąpią jednocześnie sygnały aset i aclr, wówczas wyłącznie sygnał aclr jest znaczący. aset Wejście asynchronicznego ustawiania. Domyślnie = 0 (nieaktywne). Ustawia wyjścia q[] na jedynki lub na wartość podaną parametrem LPM_VLUE. Jeśli zostaną uzyte i wystąpią jednocześnie sygnały aset i aclr, wówczas wyłącznie sygnał aclr jest znaczący. aload Wejście asynchronicznego ładowania. synchronicznie ładuje do licznika wartość podaną na wejściu data[]. Domyślnie = 0 (nieaktywne). Jeśli port aload jest użyty, także port data[] musi być podłączony. sclr Synchroniczne zerowanie. Zeruje licznik przy pierwszym zboczu narastającym sygnału taktującego. Domyślnie = 0 (nieaktywny). Jeśli oba wejścia sset i sclr są użyte i pojawią się na nich równocześnie sygnały, wówczas zadziała tylko sclr. sset Synchroniczne ustawianie. Ustawia licznik przy pierwszym zboczu narastającym sygnału taktującego. Domyślnie = 0 (nieaktywny). Ustawia na wyjściu Q[] wszystkie jedynki lub wartość podaną jako parametr LPM_SVLUE. Jeśli oba wejścia sset i sclr są użyte i pojawią się na nich równocześnie sygnały, wówczas zadziała tylko sclr. 5
sload Wejście synchronicznego ładowania. Ładuje do licznika wartość podaną na wejściu data[] przy pierwszym zboczu narastającym sygnału taktującego. Domyślnie = 0 (nieaktywny). Jeśli jest podłączony sload, to port data[] także musi być podłączony. Tabela 2: Porty wyjściowe licznika LPM_ounter Port: Wymagany: Opis: Komentarz: q[] Równoległe wyjście licznika Port wyjściowy o szerokości LPM_WIDTH. Port q[] lub co najmniej jeden z bitów eq[15..0] musi być podłączony. eq[15..0] cout Wyjście dekodera w kodzie 1zn (tylko 16 kolejnych wartości na wyjściu licznika) Wyjście przeniesienia z bitu MS (najbardziej znaczącego) lub przepełnienia przy zliczaniu z parametrem Modulus Port q[] lub eq[] musi być podłączony. Maksymalnie c bitów portu eq może być użyte (0 <= c <= 15). Gdy stan licznika wynosi c to wyjście etc jest w stanie wysokim. Wyjścia eq[15..0] są ustawiane asynchronicznie w stosunku do wyjść q[]. Można łatwo uzyskać licznik modulo x gdzie x wstawiamy jako parametr Moduluj, natomiast każde przepełnienie takiego licznika jest sygnalizowane na wyjściu cout. Tabela 3: Parametry licznika LPM_ounter Parametr Typ Wymagany Opis LPM_WIDTH Integer Tak Liczba bitów licznika, lub inaczej szerokość magistrali wyjściowej q[] i wejściowej data[] LPM_DIRETION String LPM_MODULUS Integer Kierunek zliczania. Wartości dozwolone: "UP" (w górę), "DOWN" (w dół), "UNUSED" (parametr nieużywany). Jeśli parametr LPM_DIRETION jest użyty, port updown nie może być podłączony. Gdy port updown nie jest podłączony, domyślną wartością parametru LPM_DIRETION jest "UP" (w górę). Maksymalna wartość na wyjściu licznika plus 1 (inaczej licznik modulo nn, gdzie nn to q[]max+1 lub nn to ilość stanów licznika). Jeśli zostanie załadowana do licznika wartość większa od parametru LPM_MODULUS, zachowanie licznika 6
będzie przypadkowe. LPM_VLUE Integer/ String Stała wartość ładowana podczas gdy wejście aset jest w stanie wysokim. Jeśli ta wartość jest większa od wartości wyspecyfikowanej w LPM_Modulus, działanie licznika jest przypadkowe. Parametr LPM_VLUE może być maksymalnie 32 bitowy. LPM_SVLUE Integer/ String Stała wartość ładowana podczas narastającego zbocza sygnału taktującego gdy wejście sset lub sconst jest w stanie wysokim. Parametr musi być użyty gdy wejście sconst jest podłączone. LPM_HINT String Pozwala na specyfikacje parametrów specyficznych dla układów ltery w projekcie VHDL. Domyślna wartość: "UNUSED". LPM_TYPE String Określa entity name w projektach VHDL. RRY_NT_EN String LWIDE_SLR String Parametr specyficzny dla układów ltery. Dostępne wartości: "SMRT", "ON", "OFF", or "UNUSED". Pozwala na propagację sygnału cnt_en w łańcuchu carry chain. W niektórych przypadkach, parametr RRY_NT_EN może mieć mały wpływ na szybkość działania licznika, więc może być konieczne wyłączenie tej funkcji ( OFF ). Wartością domyślną jest "SMRT". To zapewnia kompromis pomiędzy szybkością i zajętością struktury. Parametr specyficzny dla układów ltery. Dostępne wartości: "ON", "OFF" lub "UNUSED". Wartością domyślną jest "ON". Pozwala na zablokowanie rzutującego na cały L sygnału sclr własność układów rodziny FLEX 6000. Wyłączenie tej opcji zwiększa szanse na pełne wykorzystanie częściowo wypełnienych obszarów L, co skutkuje większą gęstością upakowania. 7
Tabela 4: Funkcje licznika LPM_ounter 4. PROJEKTOWNIE LIZNIKÓW O ZDNEJ POJEMNOŚI Projektowanie liczników o pojemności różnej od 2 N Sposoby skrócenia cyklu pracy licznika do wartości P < 2 N : poprzez odpowiednie zaprojektowanie licznika na pojedynczych przerzutnikach; poprzez dekodowanie stanu licznika odpowiadającego wymaganej pojemności i generowanie na tej podstawie sygnału zerującego licznik (metoda wykorzystywana przy stosowaniu liczników scalonych); poprzez rozłożenie wymaganej pojemności P licznika na czynniki proste. Licznik dwójkowy 7493 Układ 7493 zawiera dwójkę liczącą P = 2 (przerzutnik ) oraz licznik mod. 8 (przerzutniki, i D). Wyjście przerzutnika nie jest połączone z wejściem przerzutnika, który ma wyprowadzone na zewnątrz wejście impulsów zliczanych. Układ posiada wspólny obwód asynchronicznego zerowania, wyzwalany sygnałami = = 1. a) b) Q R 1 "1" "1" Q "1" "1" J Q J Q J Q J Q K Q R K Q R K Q R K Q R R 2 R 1 R 2 Rys. 7-3. Licznik dwójkowy 7493: a - symbol; b - struktura wewnętrzna. 8
Przykłady wykorzystania licznika 7493 Dokonując odpowiednich sprzężeń wyjść i wejść (bezpośrednio lub przy użyciu dodatkowych bramek) uzyskujemy liczniki o skróconym cyklu pracy. a) b) c) we we we Q Q Q Rys. 7-4. Przykłady skrócenia cyklu pracy licznika 7493: a - modulo 10; b - modulo 6; c - modulo 5 Łącząc kaskadowo układy 7493, uzyskamy licznik o pojemności P >16. Na rys. 5-6 przedstawiono dwa przykładowe warianty licznika mod. 80. a) b) we Q Q we Q Q Rys. 7-5. Przykłady kaskadowego łączenia układu 7493 w licznik modulo 80: a - dzielnik przez 16 i dzielnik przez 5; b - dzielnik przez 8 i dzielnik przez 10. W pierwszym z nich (a) wyzerowania obu liczników następuje przy zmianie stanu starszego licznika z 100 na 101. Zachodzi to gdy cały licznik zmienia swój stan z 1001111 (79) na 1010000 (80). W wariancie (b) pierwszy licznik wykorzystany jest jako dzielnik przez 8, zaś drugi jako dekada (dzielnik przez 10). W obu wariantach pominięto w jednym z układów 7493 dwójkę liczącą. Dekada 7490 Układ 7490 zwany dekadą liczącą, zawiera dwójkę liczącą P = 2 (przerzutnik ) oraz licznik mod. 5 (przerzutniki, i D). Układ ma wspólny obwód asynchronicznego zerowania, wyzwalany sygnałami ==1 oraz układ ustawiania stanu dekady na wartość 9 (1001), wyzwalany sygnałami S1=S2=1. 9
a) b) Q "1 J K S Q Q R J Q Q J K Q R K Q R "1 "1 "1 Q J K S Q Q R S1 S2 we we R 1 R 2 S 1 S 2 Rys. 7-6. Dekada 7490: a - symbol; b - struktura wewnętrzna Stosując odpowiednie sprzężenia wyjść z wejściami można uzyskać różne długości cyklu pracy licznika, podobnie jak w przypadku układu 7493. 5. ZYNNOŚI PRZYGOTOWWZE Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia, student powinien: - zapoznać się z instrukcją, - przeanalizować struktury wewnętrzne oraz zasadę działania poszczególnych klas liczników w oparciu o wykresy czasowe. - przedstawić rozwiązania układowe zadań podanych przez prowadzącego. 6. PRZEIEG ĆWIZENI W trakcie realizacji ćwiczenia studenci wykorzystują poznane i opisane wcześniej aplikacje i narzędzia programowe. 1. Uruchamiamy system. Wprowadzamy plik źródłowy projektu. 2. Dokonujemy kompilacji i symulacji projektu. 3. Uruchamiamy edytor przebiegów wymuszeń na wejściu. 4. Dokonujemy wyboru przebiegów do symulacji przy ustalonej rozdzielczości (Options>Grid Size...) oraz całkowitym czasie symulacji (File>End Time...). 5. Przebiegiem wymuszającym może być sygnał okresowy lk, wywołany z poziomu menu (Edit>Overwrite...). 6. Przyciskiem Start w oknie dialogowym wywołanym ikoną na pasku zadań, uruchamiamy symulator programowy. 7. Sprawdzamy poprawność działania układu licznikowego, czasy narastania i opadania zboczy oraz czasy propagacji i weryfikujemy ewentualne błędy. 10
8. Ikoną na pasku zadań uruchamiamy symulator-analizator czasowy i dokonujemy analizy czasów propagacji sygnałów. 9. Przypisujemy sygnałom we/wy odpowiednie wyprowadzenia struktury programowalnej. 10. Uruchamiamy programator (Programmer) w celu realizacji projektu licznika w strukturze programowalnej. 11. Sprawdzamy poprawność działania zaprogramowanego układu i weryfikujemy ewentualne błędy. 7. SPRWOZDNIE I FORM ZLIZENI ĆWIZENI Warunkiem zaliczenia ćwiczenia jest poprawny przebieg symulacji i działanie zaprogramowanego układu na stanowisku laboratoryjnym, przedstawienie wszystkich etapów syntezy układów w postaci protokołu oraz wykazanie się niezbędną wiedzą z zakresu wykonywanego ćwiczenia. Protokół powinien zawierać: temat i cel ćwiczenia, treść wykonywanych zadań, kolejne etapy syntezy, schematy projektowanych układów, wyniki symulacji i realizacji projektów oraz wnioski. 8. LITERTUR 1. L. Grodzki, W. Owieczko: Podstawy techniki cyfrowej, 2006 2. M. arski, W. Jędruch: Układy cyfrowe- podstawy projektowania i opis w języku VHDL, Gdańsk 2007 3. Skorupski.: Podstawy techniki cyfrowej, WKŁ, 2004 4. Materiały pomocnicze strona internetowa firmy ltera http://www.altera.com 11