Создание процессорной системы на кристалле ПЛИС и первое исследование созданной системы

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА»

Н.В. Ефремов

Создание процессорной системы на кристалле ПЛИС и последующее её исследование

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно - методического пособия для студентов специальности 230100 факультета электроники и системотехники

Москва

Издательство Московского государственного университета леса

УДК 004.896(075)

Е92

Разработано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом ВПО 2009 г. по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» на основе программы дисциплины «Организация ЭВМ и систем»

Рецензент: доцент кафедры управляющих интеллектуальных систем МИФИ

Е.Ф. Березкин

Работа подготовлена на кафедре вычислительной техники

Ефремов Н.В.

Е92 Создание процессорной системы на кристалле ПЛИС и последующее её исследование: учебно - методическое пособие. – М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012. -61 с.

Приводится описание пяти лабораторных работ по дисциплине «Организация ЭВМ и систем», в которых реализуется процессорная система внутри кристалла ПЛИС и исследуются особенности созданной системы. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Пособие может быть полезным также и для студентов смежных специальностей.

УДК 004.896(075)

©Н.В. Ефремов, 2012

©ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012

Предисловие

В настоящее время программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) являются одним из наиболее быстро развивающихся направлений современной цифровой микроэлектроники. Привлекательность этой технологии заключается в предоставлении конечному пользователю возможности быстрого создания цифровых устройств с произвольной внутренней структурой, включая законченные системы обработки информации [1, 2]. Причем, благодаря мощным системам автоматизации проектирования [3], предоставляемым в минимальной конфигурации производителями ПЛИС бесплатно, проектирование и изготовление законченных устройств стало возможным даже в условиях учебных лабораторий и домашних рабочих мест, оборудованных персональным компьютером.

Уровень интеграции современных ПЛИС оценивается десятками миллионов вентилей, а их быстродействие характеризуется рабочими частотами в сотни мегагерц [1]. На кристаллах с подобными параметрами можно реализовать законченную систему обработки информации, обладающую высокими качественными показателями. Такие системы называются системами на программируемом кристалле (SOPC, System On Programmable Chip).

Одним из мировых лидеров в области производства ПЛИС, а также систем автоматизации проектирования, средств программирования и отладки является компания Altera. Разработанный ею учебный стенд Altera® DE2-70 [4] используется в качестве технической базы лабораторного практикума по дисциплине «Организация ЭВМ и систем». В состав стенда входит ПЛИС Cyclone® IIC70 FPGA и большое количество дополнительных компонентов, включая микросхемы статической, динамической и флешь памяти, а также типовой периферии, позволяющих создавать на базе стенда широкий диапазон различных проектов. Причем, проекты могут представлять собой сложные аппаратно - программные комплексы, включающие полный набор технических средств стенда.

Целью лабораторного практикума является получение практических навыков в создании вычислительных систем, реализованных внутри кристалла ПЛИС, и программных приложений, предназначенных для созданных систем.

В настоящем пособии содержатся описания первых пяти лабораторных работ, выполняемых студентами по дисциплине «Организация ЭВМ и систем».

В первой работе выполняется знакомство с приложением Altera Monitor Program (АМР) [5, 6]. С помощью этого средства осуществляется реализация в кристалле ПЛИС процессорной системы «DE2-70 Media Computer» и исследование созданной процессорной системы. В индивидуальном задании предлагается написать программу тестирования оперативной памяти системы с выводом результатов на светодиоды.

Во второй работе студенты продолжают знакомство с созданной процессорной системой. Они разрабатывают несложные подпрограммы и изучают на их примере разные способы передачи им параметров. Продолжают знакомство с АМР, получают навыки в использовании файлов с исходными данными и с кодами программ в процессорной системе.

Третья работа посвящена изучению возможностей ввода/вывода информации в процессорной системе. В качестве периферийных устройств используются кнопки, переключатели, светодиоды, семисегментные индикаторы, жидкокристаллический монитор LCD, содержащиеся в стенде. Реализуется ввод/вывод в режиме прерываний. Рассматриваются программные прерывания и исключения процессорной системы.

В четвертой работе исследуется интервальный таймер, аппаратно реализованный в процессорной системе. Студенты изучают его возможности, после чего используют таймер в своих программных приложениях. В последней части работы им предлагается создать часы реального времени, отображающие текущее время на семисегментных индикаторах стенда.

Пятая работа посвящена изучению интерфейса JTAG, посредством которого осуществляется связь процессорной системы, реализованной на стенде, с инструментальным компьютером. В этой же работе исследуются инфракрасный порт и интерфейс RS232, применяемые для сопряжения двух процессорных систем, реализованных на разных стендах.

Описание каждой работы содержит раздел подготовки к работе, в который включены пункты заданий по изучению теоретического материала и по уяснению программных фрагментов, представленных в исходных файлах, порядок выполнения работы и требования по оформлению отчета. В приложениях к работам содержатся листинги исходных файлов программ с подробными комментариями. В конце пособия приводится список рекомендуемой для подготовки к лабораторным работам литературы, включая ресурсы сети Интернет.

Используемые в лабораторных работах программные заготовки написаны на языке ассемблер, приближенном к аппаратным средствам процессорной системы. Это, по мнению автора, позволит более полно отразить архитектурные особенности процессора NIOSII, являющегося основой исследуемой системы «DE2-70 Media Computer».

Планируется создание второй части лабораторного практикума, посвященной обработке мультимедийной информации на реализованной в кристалле процессорной системе.

Лабораторная работа №1

Создание процессорной системы на кристалле ПЛИС и первое исследование созданной системы

Цель работы: знакомство с процессорной системой «DE2-70 Media Computer» и с программным приложением Altera Monitor Program. Проект, содержащий процессорную систему, предварительно создан с помощью средства SOPC Builder [5, 7], входящего в состав пакета Quartus II.