Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis - PCS - USP

EPUSP — PCS 2011/2305/2355 — Laboratório Digital
SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS E
DISPOSITIVOS PROGRAMÁVEIS
Edson T. Midorikawa / 2007
E.T.M./2011
RESUMO
Nesta experiência será discutido o procedimento de simulação de circuitos digitais, em particular sua
importância dentro de uma metodologia para projeto de sistemas digitais. Serão abordados também
princípios de dispositivos programáveis, como as CPLDs e FPGAs. A parte experimental consiste na
aplicação de técnicas de simulação em alguns circuitos com o auxílio da ferramenta de software para
projeto de sistemas digitais Quartus II da Altera e a programação de projetos em dispositivos
programáveis.
O objetivo principal desta experiência é a familiarização com os procedimentos de simulação com uma
ferramenta de software e uma breve introdução aos dispositivos programáveis.
1. PARTE TEÓRICA
1.1. Metodologia de Projeto de Sistemas Digitais
Para que um sistema digital possa ser implementado eficientemente, é necessário adotar uma
metodologia de projeto. Uma possível metodologia de projeto pode ser descrita através do fluxograma
mostrado na figura 1.1 abaixo (Ranzini and Horta, 2000).
INÍCIO
DEFINIÇÃO
SÍNTESE
DESCRIÇÃO
AVALIAÇÃO
SIMULAÇÃO
OK
?
N
N
OK
?
S
S
FIM
Figura 1.1 – Uma metodologia de projeto de sistemas digitais.
As principais etapas da metodologia proposta de projeto de sistemas digitais são as seguintes:
i. Na etapa de DEFINIÇÃO, o sistema digital (SD) é especificado funcionalmente a partir dos seus
sinais de entrada e saída e de suas funcionalidades. Um SD pode ser dividido em diversas partes ou
módulos.
ii.
Na etapa de DESCRIÇÃO são gerados os algoritmos responsáveis pelo funcionamento de cada uma
das partes definidas na primeira etapa. Pode ser realizado com um editor gráfico, utilizando símbolos
gráficos para cada componente ou módulo já projetado (captura esquemática), ou usando-se uma
linguagem de descrição de hardware (HDL).
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iii. A etapa seguinte (SIMULAÇÃO) envolve a execução de uma simulação do SD, com o objetivo de
verificar possíveis erros de concepção do projeto. Procura-se aqui encontrar erros, e em caso
afirmativo, uma ação corretiva pode ser tomada.
iv. Na SÍNTESE, cada um dos módulos do SD é transformado em elementos de hardware, para serem
implementados fisicamente.
v. Na AVALIAÇÃO, estes elementos de hardware são testados para verificar se a implementação do SD
está funcionando de acordo com a especificação do projeto. Caso for encontrada qualquer
discordância, uma nova síntese pode ser elaborada.
1.2. Simulação de Circuitos Digitais
O objetivo da simulação é verificar se o projeto do circuito digital, especificado via captura esquemática
ou via linguagem de descrição de hardware (HDL), executa corretamente de acordo com as suas
especificações. Há duas categorias de simulação, funcional e temporizada.
A simulação funcional simula a operação do circuito a partir de uma perspectiva lógica apenas, sem se
preocupar com os atrasos de propagação dos sinais pelos componentes. Todos os dispositivos operam
com tempos de atraso, setup e hold iguais a zero. Ela apenas verifica as equações booleanas e o
seqüenciamento da máquina de estados. De uma maneira geral, é mais rápida que a simulação
temporizada, permitindo assim encontrar erros de projeto mais rapidamente.
A simulação temporizada simula a operação do circuito sob uma perspectiva de propagação de sinais
pelos componentes. Todos os dispositivos operam com tempos de atraso, setup e hold reais. Ou seja,
circuitos logicamente corretos, mas que não obedecem, por exemplo, o tempo de setup de um dos
componentes pode produzir resultados diferentes do esperado. Geralmente, esta simulação usa atrasos
do pior caso (worst-case delays), de modo que um circuito real deve operar mais rápido que o simulado.
Ela é usada para verificar problemas de temporização, mas pode também ser usada para re-verificar as
equações booleanas e o seqüenciamento da máquina de estados. Por se tratar de um processo mais
demorado, é normalmente usado depois de uma simulação funcional.
Várias ferramentas dispõem do recurso de simulação. O Quartus II 9.1 oferece este recurso com auxílio
do editor de formas de onda, como ilustrado na figura 1.2 abaixo.
Figura 1.2 - Editor de formas de onda do Quartus II 9.1.
Detalhes e mais informações sobre a ferramenta de simulação disponível no Quartus II 9.1 podem ser
encontrados no documento ―Quartus II Simulation‖ disponível na página da Internet da Altera.
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1.3. Dispositivos Programáveis
Os dispositivos lógicos programáveis representam uma nova abordagem no processo de desenvolvimento
de sistemas digitais. No passado, os projetistas tinham de usar apenas componentes digitais com
"funções fixas" disponibilizados no mercado (contadores, decodificadores, deslocadores, etc). Os
dispositivos programáveis permitem ao usuário definir uma função a ser desempenhado por um ou vários
chips. As características mais marcantes destes dispositivos são a programabilidade e a alta capacidade,
o que aumenta a eficiência e a flexibilidade dos projetos e, também, diminui o tempo de desenvolvimento
do produto. (Dueck, 2001)
Lógica Programável
Os projetistas de circuitos digitais têm à sua disposição uma grande variedade de CIs padronizados, com
as mais variadas funções. O fato destes CIs serem fabricados por várias empresas e em grande volume
fazem com que tenham um custo relativamente baixo. Por esta razão, a técnica muito comum para a
implementação de projetos de sistemas digitais é a interconexão destes CIs padronizados. (Tocci, 2007)
Apesar de ser amplamente empregada, a utilização de CIs padronizados na implementação de sistemas
tem alguns problemas. Primeiro, alguns sistemas podem precisar de centenas ou milhares de CIs. Este
grande número de CIs necessita de um espaço considerável em uma placa de circuito impresso, sem
levar em conta o consumo de energia necessária para alimentá-las. Um segundo aspecto diz respeito
com o tempo necessário para a montagem e testes das placas.Uma grande quantidade de CIs
necessários em um sistema resultam em um tempo maior para colocar e soldar estes componentes na de
circuito impresso. E a manutenção é o terceiro aspecto. Quanto maior o número de componentes, menor
é a confiabilidade do sistema. Assim, o fabricante do equipamento deve manter um estoque considerável,
dispondo de toda a variedade de CIs utilizados no circuito.
Uma solução para estas questões é reduzir o número de CIs usados no projeto. Com isto teremos uma
série de vantagens: um menor espaço na placa, um menor consumo de energia (fontes de alimentação
menores), processos de fabricação mais rápidos e baratos, maior confiabilidade e uma manutenção mais
fácil.
Para reduzir o número de CIs a serem usados no projeto é necessário colocar mais e mais funções nos
chips. É claro que isso tem sido feito com as tecnologias LSI, VLSI, ULSI e, mais recentemente, GSI ,
para funções padronizadas como memórias, microprocessadores, sintetizadores de voz, entre outros.
Esses dispostivos contêm milhares a alguns milhões de portas lógicas conectadas para operar de um
modo pré-determinado. Existem muitas situações para as quais não existem soluções LSI, VLSI, ULSI e
GSI. Nesses casos, o projetista se vê obrigado a recorrer aos dispositivos SSI e MSI padrões para obter
as funções necessárias.
O recente desenvolvimento de uma nova categoria de dispositivos, conhecidos como dispositivos lógicos
programáveis (PLD), ofereceu aos projetistas uma alternativa para substituir um grande número de CIs
padronizados por um único CI. Esses dispositivos permitem especificar a sua operação lógica através de
um processo chamado ―programação‖ (Tocci, 2007).
Tipos de Dispositivos Lógicos Programáveis
Uma grande variedade de dispositivos programáveis foi desenvolvida nos últimos tempos. Podemos citar,
por exemplo, os seguintes: (Tocci, 2007), (Wakerly, 2006), (Fregni e Saraiva, 1995)
PROM (Programmable Read-Only Memory) – precursor dos PLDs, a PROM pode gerar qualquer
função lógica possível das variáveis de entrada. Contudo é usada apenas para um pequeno
número de variáveis de entrada;
PLA (Programmable Logic Array) – desenvolvido em meados da década de 70, foi o primeiro
dispositivo programável sem a estrutura interna da PROM, pois tanto a matriz das portas AND
como a matriz das portas OR podem ser programadas. Não teve boa aceitação por parte dos
projetistas;
PAL (Programmable Array Logic) – contém uma arquitetura interna similar a da PROM, sendo
uma simplificação da PLA, pois apenas as conexões das entradas da matriz das portas AND são
programáveis (a matriz das portas OR é fixa). É há muito tempo o tipo de dispositivo
programável mais utilizado;
GAL (Generic Array Logic) – tipo de dispositivo programável que permite a implementação de
circuitos sequenciais, pois introduz a possibilidade de emular flip-flops;
CPLD (Complex Programmable Logic Device) – combina vários dispositivos do tipo PAL em uma
estrutura em forma de matriz. Os blocos lógicos têm conexões AND programáveis e conexões OR
fixas. Quando necessário, vários blocos lógicos podem ser combinados para implementar;
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FPGA (Field Programmable Gate Array) – contém um grande número de blocos lógicos que
podem ser programados independentemente. Esses blocos contêm lógica combinatória e
registradores para circuitos sequenciais;
A Altera produz a famíla de CPLDs MAX7000S, cujo diagrama de blocos é apresentado na figura 1.3. A
principal estrutura do MAX7000S é uma série de Blocos de Matriz Lógica (LABs - logic array blocks),
interconectados entre si por uma Matriz de Interconexão Programável (PIA - programmable interconnect
array). Cada LAB é, na realidade, composto por um grupo de 16 macrocélulas, que podem compartilhar
os termos-produto das suas variáveis. (Duech, 2001)
O CPLD EPM7128S84 é um membro da família da Altera e sua identificação tem o seguinte significado:
EPM7 família MAX7000
128 número de macrocélulas
S programação "in-circuit" (quando instalado na placa do circuito)
LC84 empacotamento PLCC de 84 pinos
O EPM7128SLC84 contém 2.500 portas utilizáveis, 128 macrocélulas, 8 LABs, 8 pinos de I/O por LAB
(totalizando 64 pinos de I/O).
Na prática o EPM7128SLC84 deve ser programado na própria placa de circuito, através de quatro pinos
dedicados para a interface de programação. As macrocélulas que não forem conectados a um pino de I/O
de usuário apenas poderão ser usadas como um módulo de lógica interna da PLD. Uma macrocélula é
similar a um GAL, pois ela fornece uma função de soma de produtos como sinal de saída.
Figura 1.3 - Diagrama de Blocos do CPLD MAX7000S da Altera.
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2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Atividades Pré-Laboratório
Nesta experiência será usado o software Quartus II da Altera para a simulação dos circuitos abaixo.
Consulte as seções relevantes da apostila "Quartus II Simulation Using VHDL Designs" (disponível na
página Internet do curso ou da Altera) para instruções de uso do programa (criação de um projeto de
circuito, compilação, simulação e programação).
Circuito Assíncrono
a) Seja o circuito da figura 2.1 abaixo. Analise sua estrutura e identifique seus componentes e sinais.
D
C K
1
Q
Q
Q 1
D
Q
D
2 3
C K
Q
C K
Q 2
Q
Q
Q 3
A
D
C K
4
Q
Q
Q 4
Figura 2.1 - Circuito a ser simulado.
b) Desenhe este circuito no Quartus II usando o editor gráfico (captura esquemática), não se
esquecendo de criar um projeto 1 para ele. Especifique os sinais Q1, Q2, Q3, Q4 e A como sinais de
saída para poderem ser analisados na simulação. Em seguida, salve, compile o projeto e verifique a
presença de erros.
Simulação funcional
c) Simule o comportamento funcional do circuito, conforme descrito na apostila "Quartus II Simulation
Using VHDL Designs" (seção 5.1). Imprima as formas de onda obtidas para ser anexada no relatório.
d) Explique as formas de onda obtidas a partir da simulação funcional.
Simulação temporizada
e) Execute em seguida uma simulação temporizada do circuito, conforme descrito na seção 5.2 do
documento "Quartus II Simulation Using VHDL Designs". Anexe também as formas de onda obtidas.
f) Analise as formas de onda obtidas a partir da simulação temporizada.
Comparação e análise das simulações
g) Compare as formas de onda analisadas nos itens (d) e (f). Qual a conclusão desta comparação?
h) Qual foi a influência dos atrasos nos componentes na diferença nas formas de onda do sinal Q4 dos
itens (c) e (e)? Explique.
i) Repita a simulação temporizada para um "grid size" maior (por exemplo, 1 ms) 2 . Houve alguma
mudança nas formas de onda? Analise.
1 Durante a criação do projeto, especifique o dispositivo programável correto: família MAX7000S e componente
EPM7128SLC84-7 ou -15, conforme disponível no painel de montagens da bancada.
2 Não esqueça também de alterar o valor do parâmetro ―end time‖, que especifica o tempo de fim de simulação (por
exemplo, 1 seg).
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2.2. Montagem Experimental do Circuito
j) Execute uma montagem do circuito lógico da figura 2.1 no painel de montagens experimentais.
Anexe um diagrama lógico.
k) Analise as formas de onda dos sinais Q1, Q2, Q3, Q4 e A, monitoradas com auxilio de um
osciloscópio. Anexe uma cópia das formas de onda.
l) Compare as formas de onda obtidas experimentalmente com as simulações da seção 2.1. Analise.
2.3. Programação de Dispositivo Programável
m) Com o projeto do circuito da figura 2.1 disponível no Quartus II, realize a programação do circuito no
dispositivo programável da placa MAX7-PCS disponível no painel de montagens experimentais. Use o
documento ―Quartus II Introduction Using Schematic Design‖ (seção 9.1) para auxiliá-los neste item.
n) Teste o funcionamento do circuito na placa MAX7-PCS monitorando os sinais de saída no osciloscópio.
o) Compare as formas de onda obtidas experimentalmente com as simulações da seção 2.1 e a
montagem da seção 2.2. Comente eventuais acontecimentos no uso do Quartus II e na montagem
experimental.
2.4. Perguntas
p) Qual é o papel da simulação no processo de desenvolvimento de circuitos digitais? Escreva com suas
próprias palavras.
q) Quais as vantagens do uso de ferramentas de simulação no processo de desenvolvimento de circuitos
digitais?
r) Exemplifique outros usos possíveis da simulação.
s) Como o uso de dispositivos lógicos programáveis facilita o projeto de circuitos digitais?
3. BIBLIOGRAFIA
ALTERA. Quartus II Simulation Using VHDL Designs. July, 2010.
ALTERA. Quartus II Introduction Using Schematic Design. September, 2010.
DUECK, R. K. Digital Design with CPLD Applications and VHDL. Delmar, 2001.
FREGNI, E. & SARAIVA, A. M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: conceitos e prática. Edgard
Blücher, 1995.
KIME, C. R.; MANO, M. M. Logic and computer design fundamentals. 3 rd ed., New Jersey:
Prentice Hall, 2004.
MIDORIKAWA, E. T., et al. Projeto de circuitos com MAX+PLUS II. Apostila de Laboratório
Digital. Escola Politécnica da USP, 2002.
ORDONEZ, E.D.M.; PEREIRA, F.D.; PENTEADO, G.; PERICINI, R.A. Projeto, Desempenho e
Aplicações de Sistemas Digitais em Circuitos Programáveis (FPGAs). Bless Gráfica e Editora
Ltda., 2003.
RANZINI, E.; HORTA, E. L. Lógica programável. Apostila de Laboratório Digital. Escola Politécnica
da USP, 2000.
TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Digital Systems: principles and applications.
10 th ed., Prentice-Hall, 2007.
WAKERLY, J. F. Digital design: principles and practice. 4 th ed., New Jersey: Prentice- Hall, 2006.
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4. MATERIAL DISPONÍVEL
Circuitos Integrados TTL: 7400, 7410, 7474.
5. RECURSOS NECESSÁRIOS
1 painel de montagens experimentais.
1 fonte de alimentação fixa, 5V 5%, 4A.
1 placa MAX7-PCS, com cabo para interface paralela.
1 computador tipo IBM-PC com software Quartus II.
1 impressora.
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