Cours «Conception de systèmes numériques» Eduardo Sanchez EPFL-IC. Laboratoire 1 Introduction aux outils Quartus II et ModelSim

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1 1. Introduction Cours «Conception de systèmes numériques» Eduardo Sanchez EPFL-IC Laboratoire 1 Introduction aux outils Quartus II et ModelSim Ce laboratoire a pour but de vous initier aux outils logiciels Quartus II (version 12) et ModelSim (version 10). Après l'avoir suivi, vous serez capable de modéliser un schéma logique avec Quartus II et de le simuler à l'aide de ModelSim. Avant toute chose, vous devez vous assurer que votre disque réseau MyFiles est correctement connecté: si vous avez des doutes sur la marche à suivre, veuillez consulter le tutoriel disponible sur le site web : windows Vous devez commencer par créer le répertoire qui va accueillir tous les fichiers de votre projet. Pour ce laboratoire, vous devez créer le répertoire Z:/lab01, avec deux sousrépertoires, l un pour l outil Quartus II (Z:/lab01/quartus) et l autre pour l outil ModelSim (Z:/lab01/modelsim). Le système modélisé et simulé sera un additionneur complet. Cependant, vous n'aurez pas à vous soucier dans ce laboratoire de la synthèse : elle aura été faite pendant le cours. 2. Quartus II Altera, fabriquant des circuits programmables de type FPGA, est le fournisseur de Quartus II, un logiciel d'aide à la conception, permettant de faire l'analyse et la synthèse des systèmes numériques. La version Web Edition de Quartus II est gratuite, disponible sur le site web : La figure 1 offre un aperçu de l interface de Quartus II, avec les éléments suivants : 1 : Liste des fichiers contenus dans le projet 2 : Tâches en cours (progression de la compilation) 3 : Messages lors de la compilation 4 : Barre d'outils principale 2.1 Création d un projet Il est possible de créer un nouveau projet de deux manières : à l'ouverture du logiciel, en cliquant sur le bouton Create a new project de la fenêtre Getting Started (Figure 2) en passant par le menu : File New... New Quartus II Project Une fois l'assistant de création de projet ouvert, entrez les informations suivantes : 1. Directory, Name, Top-Level Entity Working Directory : Z:/lab01/quartus/ Project Name : lab01 1

2 Top-Level Entity : lab01 (celle-ci pourra être modifiée par la suite, si souhaitée, dans les préférences du projet) 2. Add Files Ajouter au projet des fichiers pré-existants. Pour ce laboratoire, il n'y en a pas 3. Family & Device Settings Family : Cyclone IV E Device : EP4CE22F17C6 4. EDA Tool Settings Design Entry/Synthesis : Precision Synthesis Simulation : ModelSim- Altera VHDL 5. Summary Etape qui résume la configuration du projet Figure 1 : Aperçu de l interface de Quartus II Figure 2 : Getting Started 2

3 2.2 Création d un schéma Quartus II propose plusieurs méthodes de conception. Pendant cette première partie du cours, nous allons nous concentrer sur la conception à l'aide des schémas réalisés avec le Block Editor. Pendant la deuxième partie du cours, nous verrons comment modéliser ces schémas à l'aide du langage VHDL. Pour lancer l'éditeur de schémas, allez dans le menu : File New... Design Files Block Diagram/Schematic File. Si vous voulez travailler en plein écran, cliquez sur le bouton (Detach Window) pour extraire la fenêtre Bibliothèque Pour insérer des composants, ouvrez la bibliothèque à l'aide du bouton (Symbol Tool) : la fenêtre de la figure 3 permet d'insérer des composants, qui pourront ensuite être reliés entre eux pour former un schéma. Vous trouverez les portes logiques de base dans le dossier primitives/logic. Vous pouvez également entrer le nom de la porte dans le champ name. Si, par exemple, vous écrivez or2, ceci aura pour effet de vous afficher une porte logique OR à deux entrées dans le cadre de droite. Cliquez sur OK, puis cliquez dans l'éditeur de bloc pour placer le composant à l'intérieur de celui-ci. Figure 3 : Choix d un composant Connexions entre composants Pour connecter deux composants entre eux, il suffit d'aller sur l'une des entrées/sorties (pins) du composant. C'est alors que le curseur se transformera en croix, ce qui signifie que vous pouvez interconnecter les composants entre eux. Créez le diagramme comme présenté sur la figure 4, en passant par les étapes suivantes : 1. Ajoutez les portes logiques suivantes : deux portes AND à deux entrées AND2 (bibliothèque primitives/logic) deux portes Exclusif- OR XOR (bibliothèque primitives/logic) une porte OR à deux entrées OR2 (bibliothèque primitives/logic) 2. Ajoutez trois entrées Input (bibliothèque primitives/pin) 3. Ajoutez deux sorties Output (bibliothèque primitives/pin) 3

4 4. Renommez les entrées/sorties 5. Reliez les composants Pour finir, enregistrez le schéma dans le répertoire quartus/ du projet, sous le nom FullAdder.bdf. 2.3 Création d un composant Figure 4 : Le FullAdder dans le Block Editor A l'instar de la programmation orientée objet, il est utile de pouvoir créer de nouveaux composants afin de les réutiliser de façon modulaire. Il est maintenant question de créer notre composant à partir du schéma créé précédemment. Pour ce faire, allez dans le menu File Create / Update Create Symbol Files for Current File et enregistrez le fichier sous le nom FullAdder.bsf dans le répertoire quartus/ du projet. Notre composant sera automatiquement ajouté à la bibliothèque. Nous allons en avoir besoin pour finir la création de notre schéma principal. Pour ce faire, créez un nouveau schéma comme vu à la section 2.2 et enregistrez-le sous le nom lab01.bdf; puis, ajoutez-y le composant FullAdder qui se trouve dans la bibliothèque Project, comme le montre la figure 5. Il est possible de modifier la représentation d'un composant à l'aide du Symbol Editor. Faites un clic droit sur le composant et sélectionnez Edit Selected Symbol. Après avoir enregistré vos modifications, selon la partie droite de la figure 6, faites un clic droit dans le Block Editor et sélectionnez Update Symbol or Block, ce qui aura pour effet de mettre à jour la représentation de tous les composants. Pour finir, ajoutez trois entrées et deux sorties, renommez-les et reliez-les comme sur la partie gauche de la figure Compilation du projet Une fois les schémas créés, il ne nous reste plus qu'à compiler le projet afin de le synthétiser. Pour ce faire, cliquez sur le bouton (Start Compilation) : une fenêtre de rapport s'ouvrira. En cas d'erreurs, Quartus II vous les affichera dans la zone Messages. 4

5 Figure 5 : Le symbole FullAdder Figure 6 : Block & Symbol Editor 3. ModelSim ModelSim est un logiciel de simulation de systèmes logiques modélisés à l'aide d'un langage de description de matériel (HDL: Hardware Description Language). La version Starter Edition est disponible gratuitement sur le site web : Lancement de la simulation depuis Quartus II Pour effectuer la simulation sous ModelSim, il faut commencer, bien entendu, par ouvrir l'application. Quartus II propose un raccourci pour ouvrir ModelSim et compiler le projet : sous Quartus II, allez dans le menu Tools Run Simulation Tool Gate Level Simulation... Il faut ensuite prendre le modèle "Slow Model" et cliquer sur Run, ce qui aura pour effet d'ouvrir ModelSim et de compiler le projet (figure 7). 5

6 Figure 7 : EDA Gate Level Simulation Il est également possible de lancer l exécution de ModelSim depuis l extérieur de Quartus II : cette façon de faire sera expliquée à la section 3.3 Pour avoir la même interface que sur la figure 8, il vous faut tout d'abord passer l'interface en mode simulation (le menu Layout Simulate) et ensuite ouvrir le cadre des signaux (le menu View Wave). Les différentes parties de l interface montrée à la figure 8 sont : 1. Library : liste des bibliothèques pouvant être utilisées par notre projet Project : liste des fichiers faisant partie du projet ModelSim 2. Objets pouvant être simulés 3. Processus (liés à VHDL, le HDL qui sera étudié et utilisé plus tard dans le cours) 4. Signaux de la simulation en cours 5. Console permettant de contrôler la simulation en cours 3.2 Simulation Figure 8 : Interface principale de ModelSim Cliquez sur le bouton figure 9). (Simulate) et choisissez le projet en cours work lab01 (voir la 6

7 3.2.1 Ajout d objets à la liste des signaux visibles Lorsque la simulation est lancée, tous les signaux faisant partie du projet se retrouvent dans le cadre Objects. Sélectionnez les signaux que vous voulez simuler (les signaux visibles : a, b, c_in, s, c_out) et glissez-les à l'intérieur du cadre Wave (voir la figure 11). Il est possible de modifier la base de numération d'affichage (binaire, décimal, hexadécimal, etc) à l'aide de la fenêtre de dialogue Objects Global Signal Radix. Figure 9 : Start Simulsation Configuration des signaux en entrée Pour configurer les signaux, il faut indiquer quel sera leur comportement lors de la simulation. Ceci s'effectue dans la console à l'aide de la commande: où : force <object> <state0> <time0> [,... [, <staten> <timen>]] [- repeat p] object : signal à définir state : état sous forme binaire (0 ou 1) ou hexadécimal (16#1, 16#2,..., 16#f,... ) time : temps pendant lequel l'état sera activé - repeat : permet de définir un signal périodique, de période p Si aucune unité de temps n'est indiquée, les temps sont donnés en picosecondes (ps) par défaut. Autrement, il est possible de spécifier le temps en picoseconde (ps), nanoseconde (ns) ou milliseconde (ms). C'est au moment de la simulation (commande run) que le signal affiché prendra ces valeurs. Par exemple, si l'on veut que le signal a effectue les variations de la figure 10 et que l'on veut répéter ces variations toutes les 40ps, il faudra écrire la commande suivante : 7

8 force a 0 0, 1 10, 0 20, 1 25, 0 30, repeat 40 Figure 10 : Chronogramme du signal a Simuler Il faut maintenant exécuter la commande run n pour lancer la simulation pendant un temps n Script de simulation Il est possible de configurer et de lancer la simulation à l'aide d'un script. Pour ce faire, il suffit d'écrire les commandes dans un fichier texte (le script) et d'exécuter la commande : do ScriptFileName Il faut que le script se trouve dans le même dossier que les fichiers de ModelSim : exécutez la commande pwd dans ModelSim afin de voir dans quel dossier vous êtes. Le plus simple, c'est d'éditer le script dans ModelSim même, à l'aide de la commande File New Source Other Simulation de l additionneur complet Dans notre simulation, le but est de tester toutes les valeurs possibles pour a, b et c_in. Nous allons donc utiliser un script avec les commandes suivantes : force a 0 0, repeat 40 force b 0 0, repeat 80 force c_in 0 0, repeat 160 run 160 Le résultat de la simulation est montrée à la figure Utilisation de ModelSim sans passer par Quartus II Il est possible d utiliser ModelSim de façon indépendante, sans passer par Quartus II Création d un projet Lancer l application ModelSim et créer un projet à l aide du menu : File New Project... Introduisez le nom du projet (lab01) et son répertoire (le répertoire Z:/lab01/modelsim/ créé en début du laboratoire) (voir la figure 12). Une fois le projet créé, une fenêtre vous propose d'ajouter ou de créer un fichier dans le projet. Il faut cliquer sur Add Existing File pour y ajouter le fichier de simulation créé lors de la compilation par Quartus II : prenez le document Z:/lab01/quartus/simulation/modelsim/lab01.vho et sélectionnez la case Copy to project directory pour effectuer une copie dans le répertoire du projet (voir la figure 12). 8

9 Figure 11 : Simulation Figure 12 : Create Project Add Items Add File Compilation ModelSim n'utilisant pas maintenant Quartus II, nous devons compiler le projet. Pour cela, cliquez sur le bouton (Compile All), ce qui aura pour effet de compiler tous les documents HDL. Si la compilation a réussie, un message sera affiché dans la console. Vous pouvez alors passer à la partie simulation, comme décrit à la section 3.2. Si vous voulez simuler à l aide du script créé précédement, il faut le copier dans le répertoire Z:/lab01/modelsim/ 9