Manual de practicas para tarjeta fpga mediante lenguaje vhdl
13 de enero
2014
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Vhdl Tarjeta fpga xilinx de national instruments
Leonardo Emmanuel Moctezuma Blanco Azahel González Díaz
Primera edición Panuco, 2014.
Introducción El lenguaje VHDL (Hardware Description Language) es un lenguaje que está orientado a la descripción o modelado de sistemas digitales, esto quiere decir que se trata de un lenguaje mediante el cual se puede describir, analizar y evaluar el comportamiento de un sistema electrónico digital. La tarjeta Xilinx puede ser programada por distintos tipos de lenguajes:
Lenguaje orientado a objetos
Labview mediante Elvis, National Instruments
Lenguaje VHDL
En este manual nos enfocaremos en el lenguaje VHDL.
Comunicación xilinx con la tarjeta Una vez instalado el programa “ISE Proyect Navigator” procederemos a iniciar un proyecto en la opción de “File” daremos click en “New Pr oyect”. Como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Se muestra donde se encuentra la opción para crear un nuevo proyecto. A continuación aparecerá un ventana que nos pide un nombre el cual se puede poner el que se desee en este caso lo nombraremos “Proyect1_And” y seleccionaremos en el nivel de lenguaje “HDL”. Como se muestra en la figura 2 . Despues de hacer lo que nos pide daremos click en Next.
Figura 2.-ventana que pide que ingresemos un nombre al proyecto y el tipo del lenguaje.
Después de esto nos aparecerá una nueva ventana que es las mas importante de todas. En esta ocacion nos pide que describamos el tipo de tarjeta al cual se le anexara nuestro proyecto, en este caso nuestra tarjeta que tenemos disponible es la tarjeta “XC3S500E” es una de tarjeta de la
familia SPARTAN3E con un package FT256 y una velocidad que pondremos -4 y en la opción de lenguaje preferred seleccionaremos VHDL tal y como se muestra en la Figura 3 debe seleccionar lo mismo para que sea la referencia correcta con la tarjeta. Al finalizar daremos click en next.
Figura 3.- ventana en la que describe el tipo de tarjeta que utilizaremos la xc3s500e. Despues de esto nos aparecerá una ventana en la que resume y describe lo que hemos ingresado hasta el momento y sin ninguna opción después de ver que no haya ningún problema daremos click en finalizar. Ahora ya hemos creado nuestro proyecto. Como se puede observar no hay nada en pantalla pero aquí es donde crearemos un new source para poder realizar cualquier programa. En la parte izquierda de la pantalla se encuentra nuestra tarjeta con su nombre “xc3s500e-4ft256” daremos click derecho en ese vinculo y daremos click izquierdo en “new source”. Figura 4.
Figura 4. Se muestra donde se encuentra la opción de new source.
A continuación se muestra una ventana que nos pide un nombre para el archivo y nos pide que tipo de archivo queremos agregar a nuestro proyecto en este caso se debe utilizar un VHDL module, tal y como se muestra en la figura 5.
Figura 5.- en el new source debemos declarar el tipo de archivo que vamos a crear. En cuanto demos click aparecerá una pantalla que nos facilita la declaración de entradas y salidas en este caso utilizaremos dos entradas y una salida los nombraremos “a0” y “b0” en cuanto a la salida la nombraremos “out1” y daremos click en next. Figura 6.
Figura 6.- declaramos las señales de entrada y salida de una forma mas fácil. Despues de eso daremos click en finalizar y terminaremos de crear el modulo vhdl y aparecerá una ventana con librerías y las señales de e ntrada que acabamos de declarar.
Como se puede observar las señales de e ntrada son la que se muestran en la Figura 7.
Figura 7. Se muestran las señales de entrada y la de salida.
A continuación empezaremos a formar nuestro lenguaje de programación. Primero lo simularemos en la computadora al ver que efectivamente funciona procederemos a mandar el programa a la tarjeta xilinx. Le daremos en la opción de “simulation” en donde dice “view” . Figura 8. Y comenzaremos a escribir en la línea posterior ala 40, justo despues de donde dice “begin” y
escribiremos lo que se muestra en la Figura 9.
Ahora vamos a utilizar la opción de verificar nuestro código en la parte izquierda de la pantalla en un vinculo que dice: “Behavioral Check syntax” (Figura 10), le daremos doble click y empezara a correr al finalizar se mostrara un signo que nos dice si es correcto con una palomita “√” ó una “x”
si esta incorrecto como se muestra en la figura 11 y en la Figura 12.
Figura 10. Opción de verificar código.
Figura 12. El código se encuentra con errores
Figura 11. El código se encuentra libre de errores
Ahora procederemos a realizar una señal que verifique que el programa realiza lo que deseamos dando click derecho en nuestro modulo de vhdl que hemos r ealizado anteriormente. Figura 13.
Figura 13. Nuevo source para señal de prueba.
Procederemos a elegir que se un tipo de archivo “vhdl test bench” y elegir un nombre opcional para el archivo como se muestra en la figura 14. Despues de eso daremos click en siguiente
Figura 14. Se muestra donde se encuetra la opción Test bench.
Después de eso aparecerá una ventana que nos pregunta en que código deseamos agregar la señal de prueba debido a que en este caso solo tenemos un archivo lo agregaremos a este y daremos siguiente nuevamente y daremos click en finalizar. Aquí viene algo complicado y de mera atención al abrirlo se podrá percatar que existen muchos errores eso es debido a que el programa ingresa variables obligatorias con nombres invalidos incluso nos dice que debemos remplazar ese nombre por uno opcional , en primer lugar debemos localizar la parte donde dice “clock process definitions” en la línea 71 y borraremos todo eso hasta donde dice “stimulus process” como se muestra en la F igura 15.
Figura 15. Localizacion de lo que se debe borrar, debido a que no se utiliza esa opción en este caso.
En la línea 60 ahí un enunciado que es donde se debe cambiar el nombre de la variable y poner uno opcional en este caso utilizaremos el nombre de “PERIOD”, como se muestra a continuación
en la Figura 16.
Se cambia el nombre de la variable.
Figura 16. Muestra donde se encuentra y el nombre de la variable con un retardo de 10 nanosegundos.
Podemos modificar el tiempo de esta variable incluso hacer mas de una para distintas practicas en este caso solo utilizaremos una. Despues de esto aun abra errores pero es m
as
abajo donde se encuentra el nombre de la misma variable que debemos cambiar, en la sección de “stimulus process” borraremos despues “begin” hasta antes de “end proce ss”. Figura 17.
Figura 17. Nuevamente borraremos para crear nuestra propia estimulación en la señal.
Lo que realizaremos a continuación será una tabla de verdad para comprobar que el resultado y verificarlo si es el que deseamos que haga nuestro codigo.
La tabla de verdad de una “and” solo se cumple cuando las dos entradas se encuentra en alto y en
los demás casos su respuesta es bajo. Figura 1 8.
a0
b0
out1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Lo que realizaremos ahora será la tabla de verdad en la sección de nuestro código en la parte de hasta abajo nombrado “Stimulus process” donde borramos anteriormente y pondremos nuestro
código de la siguiente manera:
Estamos realizando la tabla de verdad pero solo la parte de las entradas ya que nuestro código de nuestro modulo solo esta respecto ala señal de salida. Al terminar verificaremos si hay algún error como lo hicimos anteriormente y si no existe ningún error daremos doble click en el vinculo debajo para simular nuestro código completo donde dice “Simulate Behavioral Model” como se
muestra en la figura 18.
Figura 18. Localización del vinculo para simular justo debajo del verificador de código.
Al terminar notaremos una ventana emergente que contiene unas líneas verdes de no ser asi existe algún error en nuestro código, puede intentar cerrar la ventana y volver a interntar simularlo, de no ser eficaz revise su código. Como se puede apreciar ala izquierda de las líneas de color verde se encuentra algo muy parecido a nuestra tabla de verdad con sus señales declaradas, acercaremos la vista para poder apreciarlo mejor y también verificaremos que nuestra tabla de verdad se cumple siga los siguientes pasos: Paso 1. Acercaremos lo mas posible con la opción “zoom ot full view”.
Paso 2.la línea amarilla puede ser arrastrada con el mouse. Paso 3. verificar que la tabla de verdad es correcta junto con los altos y bajos que se muestra en la graficas de líneas color verde.
Verificaremos si tenemos los siguientes resultados:
Vemos que efectivamente se cumple la tabla de verdad sin ningún error. a0
b0
out1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Ahora procederemos a conectar nuestra tarjeta únicamente la tarjeta con su cargador de 15v y el cable usb ala computadora y la encenderemos, no se vera ninguna acción o alguna ventana emergente
después
de
eso,
donde
anteriormente
seleccionamos
simulación,
ahora
seleccionaremos implementación. Al mismo tiempo verificaremos si ahí algún error en nuestro código, Figura 19.
FOTO
Después de eso declararemos lo que son nuestras salidas es decir nuestro código es correcto pero necesitamos definir quien es lo que estamos programando, una forma fácil de decir es: quienes son los botones o switch y quien es el led. Seleccionaremos nuestro documento donde hicimos todas la ordenes en código VHDL,depues en la ventana de proceso iremos ala parte que dice “User Constraints” y seleccionaremos “floorplan Area I/O/ Logic-post- Synthesis” y daremos doble click.
Como se muestra en la figura 20.
Después abrirá un ventana dond aparecen nuestras entradas y salidas anteriormente declaradas y nos preguntara donde las ubicaremos al final de manual vienen todas las directivas y de cada una de las partes de la tarjeta en este caso utilizaremos 2 switch y un led, que son “J11”, “J12” y “C11”.
Como se muestra en la figura 21.
Figira 21. Daremos guardar en el símbolo del disquet o al cerrar la ventana nos preguntara si deseamos guardar y daremos que si en cualquier caso, ahora daremos doble click en configurar tarjeta, como se muestra en la figura 22.
Después nos abrirá nuestro programa para comunicarnos con la tarjeta llamano IMPACT emergerán varias ventanas solo debemos seleccionar si, y finalizar sin mover o seleccionar
absolutamente nada después aparece una ventana y selccionaremos nuestro programa, el cual lo manda direcamente y no es necesario buscarlo después de seleccionar vuelve a preguntar si existe otro programa¡ma que deseamos abrir y daremos click en cancelar, después veremos dos simbolos unidos en la pantalla unos verde y uno en blanco daremos click derecho en el color verde el cual debe ser el nombre de nuestra tarjeta la “xc3s500e” y seleccionaremos programar. Como
se muestra en la figura 22.
Después aparecerá un mensaje si fue exitoso o si ocurrió algún error en la parte central de la pantalla.
Ahora verificaremos que realmente este funcionandocomo se debe, primero ubicaremos el switch0, el switch1 y el LD0 en nuestra tarjeta xilinx. Después verificaremos que sea correcto el funcionamiento como el de las siguientes fotos.
