· размещение и трассировка проекта в кристалле;

· временное моделирование;

· программирование ПЛИС (загрузка проекта в кристалл).

Перед созданием нового проекта следует определиться с выбором метода описания разрабатываемого устройства и, соответственно, средств синтеза. При определении семейства и типа ПЛИС для реализации проекта необходимо не только оценить его сложность с учетом требований, предъявляемых к быстродействию, потребляемой мощности, условиям эксплуатации, но и учесть дополнительные факторы, как, например, стоимость, возможность перепрограммирования в системе. Выбранное семейство или тип кристалла при необходимости достаточно легко можно изменить в процессе проектирования. Исходная информация о проектируемом устройстве может быть представлена в виде принципиальных схем, описаний на языке HDL, диаграмм состояний, пакетов и библиотек пользователя. На этом же этапе можно установить временные и топологические ограничения, которые должны учитываться при синтезе, размещении и трассировке проекта в кристалле.

В процессе синтеза на основании исходных модулей проекта формируется список соединений (netlist), содержащий набор примитивов или компонентов, который может быть реализован на основе ресурсов выбранного кристалла ПЛИС. Результаты синтеза используются далее в качестве исходных данных средствами размещения и трассировки. Функциональное моделирование устройства производится без учета реальных значений задержек прохождения сигналов и позволяет проконтролировать соответствие выходных сигналов алгоритмам работы проектируемого устройства. На этапе размещения и трассировки проекта в кристалл производится распределение выполняемых функций в конфигурируемые логические блоки CLB (Configurable Logic Block) или макроячейки (Macrocell), в зависимости от используемого семейства ПЛИС, и формирование необходимых связей в кристалле. В процессе выполнения этого этапа проектирования также определяются реальные значения задержек распространения сигналов, которые необходимы для полного временного моделирования устройства. Основным результатом этапа размещения и трассировки является формирование файла, в котором содержится информация о конфигурации ПЛИС, реализующей проектируемое устройство. Завершением процесса разработки цифрового устройства является загрузка конфигурационных данных в кристалл с помощью соответствующих программ и загрузочного кабеля. Следует обратить внимание на то, что этапы функционального и временного моделирования не являются обязательными. Тем не менее, не рекомендуется пренебрегать этими этапами, так как высокоэффективные средства моделирования, включаемы в состав пакетов САПР фирмы Xilinx, позволяют обнаружить большинство возможных ошибок и, тем самым, значительно сократить общее время разработки устройства. При обнаружении ошибок на любом из этапов, например, логических ошибок на этапе функционального моделирования или при получении неудовлетворительных результатов временного моделирования, следует вернуться на стадию разработки исходных описаний проекта, внести необходимые изменения и повторить последующие этапы.

5.3 Общий обзор пакета Xilinx WebPACK ISE

5.3.1 Требования к операционной системе и аппаратным ресурсам компьютера

Версия 5.1 пакета WebPACK ISE предназначена для работы под управлением операционных систем Windows 2000 и Windows XP. Исключение поддержки операционной системы Windows 98 делает невозможным установку этой версии средств проектирования на компьютеры, не обладающие достаточными ресурсами для использования указанных операционных систем. В среде Windows 98 можно использовать предыдущую версию пакета WebPACK ISE (4.2).

Для нормального функционирования версии 5.1 пакета WebPACK ISE в ОС Windows 2000 необходим компьютер с процессором не ниже Pentium 200 МГц и ОЗУ не менее 64 Мбайт (рекомендуется 256 Мбайт). Размер свободного пространства на жестком диске для установки WebPACK ISE и ModelSim XE Starter в полном объеме должен составлять не менее 1 Гбайт. Кроме того, при установке пакета жесткий диск, который обычно используется для создания временных файлов, должен иметь не менее 500 Мбайт свободного пространства.

5.3.2 Интерфейс программы

Работа с пакетом WebPACK ISE начинается с запуска управляющей оболочки Навигатора проекта (НП). Программа НП предназначена для организации эффективного управления процессом проектирования цифрового устройства на базе ПЛИС Xilinx в среде пакета WebPACK ISE. Она является основой интегрированной среды разработки проекта. НП представляет пользователю удобный интерфейс для работы с проектом и управление всеми процессами в ходе проектирования, включая программирование ПЛИС. Запуск всех необходимых программных модулей пакета осуществляется непосредственно в среде НП.

Структура основного окна НП включает следующие элементы:

· главное меню;

· оперативная панель управления;

· панель инструментов текстового редактора HDL-кода;

· встроенное окно исходных модулей проекта (Sources);

· встроенное окно необходимых процедур для выбранного исходного модуля проекта (Processes);

· встроенное окно консольных сообщений программных модулей;

· панель для размещения рабочих окон редактора текстовых HDL-описаний проекта.

Рисунок 5.1 Этап создания нового проекта



Рисунок 5.2 Окно программы Xilinx WebPACK ISE

Примечание: 1 - главное меню, 2 - оперативная панель управления, 3 - панель инструментов текстового редактора HDL-кода, 4 - встроенное окно исходных модулей проекта, 5 - встроенное окно необходимых процедур для выбранного исходного модуля проекта, 6 - встроенное окно консольных сообщений программных модулей, 7 - панель для размещения рабочих окон редактора HDL-кода



5.3.3 Структура проекта в САПР WebPACK ISE

Проектом в САПР WebPACK ISE называется совокупность модулей (файлов), которые содержат информацию, необходимую для выполнения всех этапов процесса разработки цифрового устройства на базе ПЛИС Xilinx. В структуре проекта WebPACK ISE можно выделить следующие группы модулей:

· исходные описания проектируемого устройства в графической или текстовой форме;

· модули временных и топологических ограничений проекта;

· документация, сопровождающая проект;

· промежуточные результаты, используемые в качестве исходных данных для последующих шагов проектирования;

· функциональная и временная модели проектируемого устройства;

· описания тестовых воздействий, необходимых для моделирования устройства, в текстовом и графическом формате;

· результаты функционального и временного моделирования в графической и текстовой форме;

· отчеты, формируемые вспомогательными средствами пакета;

· окончательные результаты проектирования, используемые для конфигурирования ПЛИС.

Все модули проекта располагаются в одном каталоге (папке), название которого совпадает с названием проекта. Изначально проект представлен только заголовком и модулем, в котором указываются параметры проекта. Затем к проекту добавляются модули описания проектируемого устройства. Далее, после выполнения каждого этапа процесса разработки устройства, в проект включаются результаты, полученные на этом этапе, и соответствующий отчет. Кроме того, разработчик может включить в проект необходимую текстовую документацию.



5.3.4 Маршрут проектирования в САПР WebPACK ISE

Общий маршрут проектирования в САПР WebPACK ISE можно изобразить в виде следующей схемы:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.3 Маршрут проектирования в САПР WebPACK ISE

Создание нового проекта. На данном этапе разработчик осуществляет выбор семейства ПЛИС, на базе которого разрабатывается устройство, тип кристалла и его быстродействие, тип корпуса, а также средства синтеза устройства.

Добавление файла к проекту. В окне Sources происходит добавление модуля к проекту. Добавляя к проекту несколько модулей, разработчик указывает главный модуль (top module) и реализует иерархию модулей внутри проекта по принципу вложенности.

Описание модулей проекта. В общем случае это может быть verilog-описание схемы (*.v) либо графическое описание схемы в схемотехническом редакторе (*.sch).

Синтез проекта. На этапе синтеза происходит формирование RTL-модели схемы. Другими словами, средства синтеза позволяют на основе данного описания проекта генерировать модель будущей схемы.

Моделирование проекта в ModelSim. На этапе поведенческого моделирования (behavioral simulation) разработчик осуществляет функциональное моделирование проекта. Симуляция post-route - последний этап моделирования, результатом которого являются временные диаграммы с учетом задержек элементов для данного варианта трассировки.

Программирование ПЛИС. Под программированием схемы понимается загрузка проекта в кристалл.

5.3.5 Модуль программирования iMPACT пакета WebPACK ISE

Программа iMPACT предназначена для конфигурирования ПЛИС семейств CPLD, FPGA и ППЗУ семейства XC18V00 в различных режимах, считывания конфигурационных данных из кристаллов и организации тестирования разработанного устройства с использованием JTAG-интерфейса, а также для создания файлов «прошивки» ПЗУ/ППЗУ в стандартных промышленных форматах, поддерживаемых различными аппаратными программаторами. Отличительными особенностями модуля программирования ПЛИС пакета WebPACK ISE являются:

· поддержка всего спектра кристаллов, выпускаемых фирмой Xilinx;

· автоматическая идентификация типа загрузочного кабеля, подключенного к ПК, который используется для выполнения операций конфигурирования, чтения данных и тестирования;

· возможность ручной установки типа и параметров интерфейса для используемого загрузочного кабеля;

· одновременная работа с несколькими типами ПЛИС;

· автоматическое обнаружение (определение числа и типов кристаллов в составе цепочки периферийного сканирования) и инициализация цепочки ПЛИС, подключенных к используемому JTAG-порту;

· поддержка четырех режимов загрузки конфигурационных данных (Boundary-Scan (JTAG), Slave Serial, SelectMAP и Desktop Configuration);

· вычисление контрольной суммы конфигурационных данных, считанных из выбранного кристалла ПЛИС;

· определение статуса (состояния) выбранного кристалла (запрограммирован или нет);

· контроль конфигурационных данных, загруженных в кристалл, методом обратного считывания и сравнения с исходным файлом программирования;

· считывание и представление в символьном виде сигнатур (пользовательского кода), которые идентифицируют версию конфигурационной последовательности проекта, загруженную в указанный кристалл ПЛИС;

· генерация файлов программирования в форматах SVF, STAPL, System ACE CF, System ACE MPM, которые включают в себя конфигурационные данные и инструкции программирования;

· эффективный пользовательский интерфейс, обеспечивающий простой и быстрый механизм активизации всех операций и наглядную форму отображения полученных результатов;

· возможность работы в различных режимах (графическом, пакетном и режиме командной строки).

5.4 Реализация проектных процедур при проектировании блока ЦБВОП

1) Этап создания проекта

Рисунок 5.4. Создание нового проекта

Основные параметры проекта:

- семейство микросхем - Virtex2;

- кристалл - XC2V1000;

- тип корпуса - BG575;

- средство синтеза - XST;

- средство моделирования - ModelSim-SE.

2) Добавление к проекту модулей с описанием устройства в схемотехническом редакторе и на языке HDL Verilog.



Рисунок 5.5 Добавление файла к проекту

3) Описание модулей проекта.

Проект ПЛИС блока ЦБВОП функционально разделен на 5 модулей: модуль формирования тестовой информации (generation_sequence_module), передающий модуль (transmitter_module), принимающий модуль (receiver), модуль сравнения (comparison_module) и модуль формирования отчета (report_module). Каждый функционально завершенный модуль разрабатывается и моделируется отдельно до этапа сборки в единый проект.

Описание головного модуля осуществляется в схемотехническом редакторе пакета (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6 Общая схема проекта ПЛИС

4) Синтез схемной модели.

Синтез модели схемы осуществляется автоматически средствами пакета Xilinx WebPACK ISE. Здесь следует понимать, что полученное схемотехническое решение зависит от того или иного варианта описания проекта на языке HDL. Иными словами, использование различных конструкций для описания одного и того же устройства приводит к различным вариантам реализации с точки зрения схемотехники. При этом логически они будут выполнять одну и ту же функцию.

RTL-модель общей схемы представлена на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7. RTL-модель схемы

5) Моделирование в среде ModelSim.

Моделирование проекта осуществляется поэтапно. На нижнем уровне абстракции происходит моделирование модулей проекта в отдельности, что позволяет оценить текущий результат и, если необходимо, пересмотреть имеющиеся решения. Далее происходит сборка модулей в единый проект, который в свою очередь требует определенных доработок в ходе отладки. Отладка осуществляется по результатам моделирования проекта целиком (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8. Результаты моделирования

6) Программирование ПЛИС.

Программирование ПЛИС реализуется в модуле программирования iMPACT пакета WebPACK ISE. Прежде чем загружать проект в ПЛИС, необходимо ознакомиться с документацией на схему. В данном случае используется ПЛИС семейства Virtex2 на чипе XC2V1000.

Загрузка проекта в ПЛИС осуществляется посредством программатора Xilinx DLC10 через JTAG-кабель.

5.5 Выводы

Таким образом, в данном разделе был рассмотрен маршрут проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx на примере использования пакета WebPACK ISE. Пакет WebPACK ISE представляет собой полнофункциональную САПР, которая позволяет выполнить все этапы разработки, начиная с создания проекта и заканчивая программированием кристалла. Должное внимание уделяется структуре пользовательского интерфейса основных программ пакета WebPACK ISE.

Конечным этапом проектирования является программирование ПЛИС, поэтому в работе приводится детальное описание структуры модуля программирования iMPACT, с помощью которого происходит генерирование файла загрузки для прошивки микросхемы. Непосредственно загрузка осуществляется посредством программатора фирмы Xilinx. Рассматривается также и аспект создания исходных описаний проектируемого устройства в схемотехнической форме и с применением языков HDL. Говоря о проектировании на кристаллах семейств CPLD и FPGA, то в работе они сведены к минимуму, поскольку основной целью раздела является технологическая сторона разработки конкретного устройства в среде Xilinx WebPACK ISE.

Практическая часть отражает описание маршрута проектирования в пакете Xilinx WebPACK ISE при проектировании проекта ПЛИС ячейки ЦБВОП.

Каждый этап разработки выполняется в соответствии со схемой маршрута проектирования на базе ПЛИС Xilinx. Промежуточные результаты моделирования приведены в приложении. Результатом разработки является конечный проект ПЛИС.



Заключение

Данный дипломный проект посвящен разработке экспериментального устройства, обеспечивающего автоматическую диагностику волоконно-оптического тракта приема и передачи информации в составе ракетоносителя.

В разделе, посвященном литературному обзору, проведен анализ систем приема и преобразования информации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. Выявлена необходимость обеспечения диагностики работоспособности бортовых волоконно-оптических линий передачи цифровой информации.

В специальном разделе разработаны технологические требования на комплект блоков волоконно-оптической передачи с учетом особенностей их использования в составе космической аппаратуры. Проработан алгоритм автоматической диагностики волоконно-оптических линий передачи, на основе которого проведен синтез структурной схемы проекта ПЛИС блока ЦБВОП. Результатом работы является проект ПЛИС блока ЦБВОП.

В организационно-экономическом разделе проработан алгоритм функционально-стоимостного анализа применительно к ячейке ЦБВОП комплекта ВОЛП-ЦИ. Распределение производственных затрат по функциям проводилось на основе анализа вклада материальных носителей в обеспечение основных и вспомогательных функций. Показано, что материальные вложения в проект распределены оптимальным образом.

В производственно-экологическом разделе проанализированы основные опасности и вредности, которые необходимо учитывать при планировании рабочего места инженера-разработчика, дана их качественная и, по возможности, количественная оценка, а также рекомендации по минимизации вредных последствий работы в машинном зале. Рассмотрены требования, предъявляемые к рабочему месту, освещению, к системам вентиляции, к акустике помещений, к защите от статического электричества и излучений при работе с персональным компьютером, меры по обеспечению электробезопасности. Выполнен инженерный расчет освещенности рабочего помещения.

Технологический раздел отражает маршрут проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx в интегрированной среде разработки WebPACK ISE.

Таким образом, в ходе выполнения дипломного проекта мною были:

- проанализированы существующие бортовые волоконно-оптические системы передачи информации;

- разработаны требования к проекту ПЛИС цифрового блока волоконно-оптической передачи;

- разработан алгоритм автоматической диагностики волоконно-оптических линий передачи;

- проведен синтез структурной схемы проекта ПЛИС цифрового блока волоконно-оптической передачи;

- изучен маршрут проектирования средствами пакета WebPACK ISE на основе ПЛИС фирмы Xilinx;

- разработан проект ПЛИС цифрового блока волоконно-оптической передачи;

- выполнена отладка проекта ПЛИС на реальной аппаратуре;

- проработан алгоритм функционально-стоимостного анализа применительно к ячейке блока;

- выполнен анализ производственной и экологической безопасности при работе за компьютером.



Список литературы

1) Кузьмичев А.М., Жевако В.В., Рахимьянов А.С. Совершенствование структуры построения цифровой обработки видеоинформации в СППИ КА ДЗЗ // V Научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова - 2008. - С. 113-121.

2) Кузьмичев А.М. Анализ влияния способа обработки цифровых потоков видеоинформации на устойчивость многоканальной СППИ к внутрисистемным единичным сбоям // V Научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, -2008. - С. 104-113.

3) Кузьмичев А.М., Рахимьянов А.С. Перспективы применения высокоскоростного интерфейса для передачи цифровых потоков видеоинформации в межсистемных линиях связи аппаратуры КА ДЗЗ // Материалы конференции «Элементная база космических систем». - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, - 2007 - С.

4) Кузьмичев А.М. Оптимизация цифровой обработки в системах приема и преобразования видеоинформации многоканальных перспективных космических комплексов дистанционного зондирования Земли // V Научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова - 2008. - С. 93-103.

5) Колотков В. В., Кузьмичев А. М. , Мастюгин А. М., Фаткуллин А. Ю., Голоушкин А. С. Авиационные многоканальные системы приема и преобразования изображений // Материалы II научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2005 - С.141-142.

6) Кузьмичев А.М., Фаткуллин А. Ю. Многоканальный процессор обработки цифровых потоков видеоинформации интегрального оптико-электронного преобразователя. / V Международная научно-техническая конференция “Электроника и информатика-2005”: Материалы конференции. Часть 2. - М.: МИЭТ, 2005 - С.94_95.

7) Зотов В.Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы XILINX в САПР WebPACK ISE. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003.

8) Поляков А.К. Языки VHDL и Verilog в проектировании цифровой аппаратуры. - М.: СОЛОН-Пресс, 2003.

9) Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. - М.: Издательство иностранной литературы, 1963.

10) Толстов А.Г. Элементы надежности и технической диагностики. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005.

11) Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004.

12) Уэйкерли Джон Ф. Проектирование цифровых устройств. - М.: Постмаркет, 2002.

13) Н. К. Моисеева, А. М. Павлова, А. В. Проскуряков. «Методика выполнения организационно-экономической части дипломного проекта». М.: МИЭТ, 1987 г.

14) СН 4088-86 «Микроклимат производственных помещений».

15) СН 3223-85 «Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах».

16) СНиП 11-4-79 «Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования».

17) ГОСТ 27954-88 «Видеомониторы персональных ЭВМ».

18) ГОСТ 17.1.018-79 «Статическое электричество. Искробезопасность».

19) Белов С.В. Охрана окружающей среды. - М.: «Высшая школа», 1991.

20) Кукин П.П., Лапин В.Л. Безопасность технологических процессов и производств. - М.: «Высшая школа», 2002.

21) Каракеян В.И., Никулина И.М. Безопасность жизнедеятельности. - М.: «Высшее образование», 2009.

22) Каракеян В.И., Константинова Л.А., Ларионов Н.М., Писеев В.М. Методические указания по выполнению раздела «Охрана окружающей среды» в дипломных проектах.

23) Волков В.А., Заводян А.В. «Методические указания по выполнению технологической части дипломных проектов». - М.: МИЭТ, 1985.

Размещено на Allbest.ru