TP3 : Compteur Hexadécimal

TP3 : Compteur Hexadécimal Introduction : En logique séquentielle, les sorties ne dépendent pas seulement des entrées, mais également des séquences des entrées passées. Pour ce faire, le circuit utilise une partie mémoire qui va lui permettre de retrouver l état induit par les entrées passées. La sortie est par conséquent calculée en fonction de l état présent et des entrées qui arrivent au système. Le langage VHL possède un jeu d instructions séquentielles très complet, mais uniquement utilisable au sein d un processus. Comme instructions séquentielles il y a l instruction wait, la structure de boucle, la structure conditionnelle (if then else ) et l instruction case. Notons qu en structure conditionnelle, une description incomplète (absence de : else ) crée l effet mémoire, un effet propre au système séquentiel. En hardware, cela se traduit par la présence d une bascule. Objectif du TP : L objectif de ce TP est de décrire en VHL puis implémenter sur une carte FPGA un compteur Hexadécimal (Figure 1). Un compteur Hexadécimal est un circuit basé sur un «Compteur binaire 4-bit» à cycle complet (compte de 0 jusqu à 15) et qui affiche les valeurs de sortie en format hexadécimal sur un afficheur 7-segments à travers un «écodeur». Le circuit contient aussi un module «iviseur de Fréquence» dont le rôle est de générer l horloge nécessaire au fonctionnement du compteur 4-bit à partir de l horloge principale de la carte FPGA. La figure ci-dessous présente le travail à réaliser Horloge 50Hz de la carte FPGA iviseur de Fréquence Horloge du compteur Compteur 4-bit 4 ecodeur 12 d'afficheur 7-segments Programme VHL à réaliser Figure 1 : Schéma du compteur Hexadécimal Remarque: Il est important de comprendre que cette figure vous donne l'architecture de votre programme VHL : on utilisera la programmation structurelle. Ce style consiste à assembler des composants créés séparément. Plan du TP : 1. Le compteur 4-bit 2. Le diviseur de fréquence 3. Le décodeur de l afficheur 7-segments 4. Programme principal : Compteur hexadécimal Remarque importante : Vous allez compléter chacune des 3 premières parties du TP dans son propre dossier. Pour la 4 ème partie, c.à.d. le programme principal, vous allez rassembler les fichiers.vhd développés précédemment (copier/coller les de leurs sources vers le dossier «Principal»). Tous les fichiers nécessaires au TP se trouvent dans le dossier TP3_work. ENICAR (2015/2016) 1

1. Le compteur 4-bit Un compteur est un circuit intégré numérique destiné à compter le nombre d'impulsions d horloge appliquées à son entrée. En VHL, les compteurs sont des éléments très utiles qui permettent de gérer tout ce qui est temporisation et bien sur le comptage. Clock Compteur 4-bit (3..0) Figure 2 : Schéma représentatif d un compteur 4-bit Le compteur asynchrone est basé sur le diviseur de fréquence. Il s'agit d'une bascule dont la sortie inverseuse () est envoyée sur son entrée (figure 3). Ainsi, à chaque front montant de l'entrée d'horloge, la donnée transférée sur la sortie est complémentée (change d'état). La fréquence du signal est donc divisée par deux (figure 4). Clk Clk Clr Clr Figure 3 : iviseur de fréquence Figure 4 : Chronogramme du diviseur de fréquence Un compteur est constitué de plusieurs diviseurs de fréquences (autant que de bits requis) monté en cascade (la sortie de l'un pilotant la du suivant). Un compteur à N sorties ( 0 à N-1 ) permet de compter au maximum (2 N - 1) impulsions d'entrées. L architecture d un compteur 4-bit (compte de 0 à 15) est présentée sur la figure 5. 0 1 2 3 Clock Figure 5 : Architecture d un compteur binaire 4 bits Figure 6 : Chronogrammes du compteur 4-bit Comme on peut observer sur la figure 6, les sorties 0 1 2 3 sont successivement égales à 0000, 0001, 0010,..., 1111, puis à nouveau 0000, 0001, 0010,... c'est-à-dire 0, 1, 2,..., 15, 0, 1, 2,... Ce cycle continue indéfiniment, aussi longtemps que le signal d'horloge est présent. ENICAR (2015/2016) 2

1.1) écrire en VHL une bascule active sur front montant avec un reset active à l état haut (ff.vhd). 1.2) Maintenant, décrire en VHL le compteur binaire 4-bit de la figure 5, basé sur 4 bascules (counter4.vhd). Indice : utiliser l instruction concurrente for generate. 1.3) Compléter le testbench du compteur (counter4_tb.vhd) et simuler le avec ModelSim de la façon suivante : - Créer une horloge (Clock) de période T = 20 ns. - Mettre clear à 1 pendant 10 ns. - Mettre clear à 0. - ans ModelSim, Spécifier 350 ns comme durée totale de simulation. Lancer la simulation, observer les chronogrammes et vérifier que le compteur fonctionne comme prévu. 2. Le diviseur de fréquence Un circuit qui divise une fréquence de signal est appelé un diviseur de fréquence. iviser indique une conversion de la fréquence d'un signal numérique, tel qu'une horloge, en le réduisant à 1/N. Comme on a vu dans la première partie du TP, un compteur est un diviseur de 1/2 n (où n est le nombre de bits). Figure 7 : Compteur/iviseur de Fréquence En effet, si on observe les chronogrammes des signaux de sortie d un compteur 4-bits (Figure 7), on peut voir que la sortie O 1, le bit de poids le plus faible, a une fréquence égale à la moitié de la fréquence du signal d horloge commandant le compteur (). e même pour la sortie O 2 qui a une fréquence égale à la moitié de celle du signal qui la précède et ¼ de la fréquence d horloge, et ainsi de suite. Ainsi, étant donnée la fréquence f de l horloge, la fréquence d une sortie O i peut s écrire : f = f / 2 i+1 Par exemple un simple compteur 26-bits peut être utilisé comme diviseur de fréquence qui produit un large choix de fréquences, allant de 25Mhz à moins d 1Hz, à partir de l'horloge 50Mhz de la carte, comme le montre le Tableau 1, q(i) étant le bit d indice i de la sortie q du compteur. Tableau 1 Fréquences produites par un compteur 26-bit q(i) Fréquence Période Période Fréquence Période q(i) Fréquence (Hz) q(i) (Hz) (ms) (ms) (Hz) (ms) i 50000000.00 0.00002 8 97656.25 0.01024 17 190.73 5.24288 0 25000000.00 0.00004 9 48828.13 0.02048 18 95.37 10.48576 1 12500000.00 0.00008 10 24414.06 0.04096 19 47.68 20.97152 2 6250000.00 0.00016 11 12207.03 0.08192 20 23.84 41.94304 3 3250000.00 0.00032 12 6103.52 0.16384 21 11.92 83.88608 4 1562500.00 0.00064 13 3051.76 0.32768 22 5.96 167.7721 5 781250.00 0.00128 14 1525.88 0.65536 23 2.98 335.5443 6 390625.00 0.00256 15 762.94 1.31072 24 1.49 671.0886 7 195312.50 0.00512 16 381.47 2.62144 25 0.74 1 342.177 ENICAR (2015/2016) 3

Pour notre compteur binaire 4-bits, on a besoin d un signal d horloge ayant une fréquence suffisamment faible. Sans cela, il ne sera pas possible d observer le changement de la sortie du compteur à l œil humain. On aura donc besoin de transformer la fréquence de l horloge très élevé de la carte FPGA (50 Mhz) en une fréquence de quelques Hertz. Pour générer cette fréquence, on va avoir besoin d un circuit diviseur de fréquence (Figure 8). 50 Mhz mclk clr iviseur de Fréquence (Compteur 26-bit) Figure 8 : iviseur de fréquence mclk : C est l entrée d horloge du diviseur de fréquence. Elle est de 50 Mhz. clr : Cette entrée sert à remettre à zéro le diviseur de fréquence. Clk_ctr : La fréquence de sortie. 2.1) On désire créer une horloge ayant une fréquence égale à 0.74 Hz (T 1.34 seconde). ans le fichier freq_div.vhd, modifier le code du compteur 4-bit (counter4.vhd) pour créer un compteur générant cette fréquence. 2.2) Compléter le testbench (freq_div_tb.vhd) et simuler le avec ModelSim de la façon suivante : - Créer une horloge (mclk) de période T = 20 ns (Ceci correspond à une fréquence de 50Mhz). - Mettre clr à 1 pendant 10 ns. - Mettre clr à 0. - ans ModelSim, spécifier 1400 ms comme durée totale de simulation. 3. Le décodeur de l afficheur 7-segments À la sortie du compteur 4-bit, les signaux doivent être décodés pour pouvoir commander l afficheur 7-segments. Pour cela, on utilisera un «décodeur» (Figure 9). clk_ctr Figure 9 : Le écodeur et l'afficheur 7-segments Figure 10 : Entrées écodeur/ Sorties Afficheur ENICAR (2015/2016) 4

Le décodeur doit transformer le nombre reçu en entrée sur 4 bits en 7 bits afin de l afficher en écriture hexadécimal (0 jusqu à F) sur un afficheur 7-segment, comme le montre la figure 10. La carte FPGA «Spartan-3 Starter Kit» possède 4 afficheurs 7-segments à LEs commandables par l utilisateur via les broches de l FPGA, comme indiqué dans la Figure 11. Chaque afficheur partage huit signaux de commandes avec les 3 autres afficheurs qui servent à allumer les segments LEs. Chaque afficheur a également une entrée de commande d'anode distincte (ANx). L indice des broches de l FPGA connectées aux afficheurs apparaît entre parenthèses devant ANx. Pour allumer individuellement un segment LE d un afficheur, il faut mettre au niveau logique bas l entrée de contrôle de ce segment aussi bien que le signal de commande de l anode associée à cet afficheur. Figure 11 : Contrôles des afficheurs de la carte FPGA Par exemple, ans la figure 11 le premier afficheur en partant de gauche affiche le chiffre '2'. Les valeurs numériques contrôlant l'affichage dans cet exemple sont indiquées en bleu. Le signal de commande de l anode AN3 est au niveau logique bas, ce qui permet à ces valeurs de cibler l afficheur en question. Ainsi, les entrées de commande des segments, A à G et P, contrôlent les segments de l afficheur. Un niveau logique bas allume un segment individuel, un niveau haut l éteint. Par exemple, en mettant un 0 sur le signal d'entrée A, on allume le segment «a». Les contrôleurs d'anode pour les afficheurs restants, AN [2:0] sont tous maintenus à 1. Ainsi, ces 3 afficheurs ignorent les valeurs présentées sur les entrées A à G et P. En VHL on pourra utiliser un std_logic_vector(3 downto 0) pour le sélecteur de l afficheur (AN). La variable correspondante sera dénommée "sel_aff". 3.1) Compléter la description VHL du décodeur de la figure 12 qui permettra d'afficher le contenu de 4 bits en écriture Hexadécimal sur l afficheur d indice AN3. Consultez le Tableau 2 pour avoir les valeurs des entrées nécessaires pour afficher des caractères hexadécimaux sur les 7 segments de l afficheur. (3..0) ecodeur de l'afficheur Seg(0) Seg(1) Seg(2) Seg(3) Seg(4) Seg(5) Seg(6) P sel_aff Figure 12 : écodeur 4-bit vers 7 segments 3.2) Compléter le testbench du décodeur et simuler le avec ModelSim. Tableau 2 Caractère Héxadécimal a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 2 0 0 1 0 0 1 0 3 0 0 0 0 1 1 0 4 1 0 0 1 1 0 0 5 0 1 0 0 1 0 0 6 0 1 0 0 0 0 0 7 0 0 0 1 1 1 1 8 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 1 0 0 A 0 0 0 1 0 0 0 B 1 1 0 0 0 0 0 C 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 E 0 1 1 0 0 0 0 F 0 1 1 1 0 0 0 ENICAR (2015/2016) 5

4. Programme principal : Compteur hexadécimal Maintenant que les différents modules du compteur hexadécimal sont prêts, vous allez les assembler dans un seul programme principal. 4.1) ans le dossier nommé «Principal», transférer tous les fichiers des modules complétés précédemment : counter4.vhd, freq_div.vhd ET decoder.vhd. 4.2) Faire la description structurelle du compteur hexadécimal «hex_counter.vhd» en y instanciant et en y reliant les 3 modules comme le montre le schéma ci-dessous: 50 Mhz mclk iviseur de Fréquence clk_ctr Seg(0) Seg(1) (0) Seg(2) Compteur 4-bit (1) (2) ecodeur de l'afficheur Seg(3) Seg(4) Seg(5) (3) Seg(6) P sel_aff Figure 13 : Schéma complet du compteur Hexadécimal 4.3) Compléter le testbench du compteur Hexadécimal («hex_counter_tb.vhd ) et simuler le avec ModelSim. Remarque : Penser à utiliser un indice i faible pour la sortie du iviseur de fréquence (q(i)) pour pouvoir visualiser les sorties sur le simulateur. Après la simulation, ne pas oublier de restaurer l ancienne valeur de i. 4.4) Avec Xilinx ISE, implémenter le «compteur hexadécimal» sur la carte Spartan-3 (Suivre les étapes du Tutorial). Lors de l étape d assignation des broches (Assign Package Pins), connecter les ports du compteur hexadécimal aux broches de la carte comme suit: L entrée «clear» au bouton poussoir BTN0. L horloge d entrée du diviseur de fréquence (mclk) à l horloge de la carte FPGA *. Les sorties du décodeur aux broches du bloc des afficheurs 7-segments * et choisir l afficheur d indice AN3. Pour résumer : ENICAR (2015/2016) 6

Compteur_Hex (VHL) Entrées : mclk Clr Carte FPGA Clock Oscillator(50Mhz) BTN0 Sorties : sel_aff Seg(6) Seg(5) Seg(4) Seg(3) Seg(2) Seg(1) Seg(0) dp AN0,AN1,AN2,AN3 A B C E F G P BTN0 Afficheur AN3 (*) : Vous trouverez les indices des broches de l FPGA qui contrôlent les segments LE d un afficheur 7-segments dans les Tableaux 3-1 et 3-2 de la page 16 du document «Spartan-3 Starter Kit Board User Guide.pdf». L indice de l horloge de l FPGA est dans le chapitre 8 du même document. 4.5) Vérifier que votre compteur fonctionne correctement. ENICAR (2015/2016) 7