| |
การบรรยายพฤติกรรมฮาร์ดแวร์ด้วยวิธีวาด
Schematic ระบบฝังตัวโดยใช้ FPGA CHIP
เขียนโดย อ.จักรกฤษณ์ แสงแก้ว สาขาสารสนเทศศาสตร์ คณะวิทยาการสารสนเทศ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม
การบรรยายพฤติกรรมฮาร์ดแวร์ด้วยวิธีวาด Schematic ระบบฝังตัวโดยใช้ FPGA
CHIP
ช่วงนี้พานักเรียนประกวดแข่งขันทักษะวิชาชีพ เลยพอจะมีเวลาว่าง จึงตื่นมาตี
3 ลุกขึ้นมานั่งเขียนบทความให้เพื่อน ๆ น้อง ๆ ได้อ่านพอเป็นแนวทางในการเรียนรู้การใช้งาน
FPGA ซึ่งภาพด้านล่างเป็นบรรยากาศยามเช้าของศูนย์ฝึกอบรม โรงไฟฟ้าบางประกง
ภาพ : บรรยากาศศูนย์ฝึกอบรม โรงไฟฟ้าบางประกง
บทความที่แล้วได้กล่าวถึงการเขียนโปรแกรมด้วยภาษา VHDL และกระบวนการเบื้องต้นในการสังเคราะห์วงจรดิจิตอลไปแล้ว
ในบทความนี้จะศึกษาการสังเคราะห์วงจรดิจิตอล ด้วยวิธีการวาด Schematic ซึ่งในการออกแบบวงจรดิจิตอลสามารถทำการออกแบบได้
3 วิธี ได้แก่
1. Schematic
2. VHDL
3. State Diagram
ในบทความนี้จะกล่าวถึงวิธี Schematic เพื่อใช้สังเคราะห์วงจรดิจิตอลและทำงานในชิปไอซี
FPGA โดยใช้งานบอร์ด Planton จาก www.ideaonchip.com เริ่มสาระสำคัญของบทความดังนี้
:
วัตถุประสงค์
1. สามารถวาด Schematic ของวงจร And Gate 4 Input ได้
2. สามารถสังเคราะห์วงจรดิจิตอลจาก Schematic ได้
3. สามารถทดสอบวงจรด้วยไอซี FPGA ได้
เครื่องมือในการศึกษา
ในบทความนี้ ใช้เครื่องมือต่อไปนี้ในการศึกษาเรียนรู้ :
1. บอร์ด FPGA PlanTon จาก IdeaOnChip
2. โปรแกรม ISE 9.1
3. สาย LPT-JTAG สำหรับเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด PlanTon กับไมโครคอมพิวเตอร์
(ผ่านพอร์ตขนาน LPT)
4. หัวแปลงกระแสไฟฟ้าจาก USB เพื่อใช้งานกับบอร์ด PlanTon ( อันนี้ซื้อที่ร้าน
EASY จังหวัดมหาสารคาม) สะดวกมากเพราะไม่ต้องใช้อะแดปเตอร์
ขั้นตอนการดำเนินการ
1. เชื่อมต่อสาย JTAG เข้ากับบอร์ด FPGA PlanTon และไมโครคอมพิวเตอร์
2. การวาด Schematic
3. การกำหนดขาสัญญาณให้กับชิป FPGA
4. การสังเคราะห์ฮาร์ดแวร์
5. การโปรแกรมฮาร์ดแวร์ลงบนชิป FPGA
6. การทดสอบผลลัพธ์บนบอร์ดทดลอง FPGA PlanTon
1. เชื่อมต่อสาย JTAG และสาย Adapter เข้ากับอร์ด FPGA Planton
ในตอนการเชื่อมต่อสาย JTAG และสาย Adapter เข้ากับบอร์ด FPGA Planton ได้อธิบายไว้แล้วในบทความเรื่อง
การเขียนโปรแกรมภาษา VHDL เพื่อบรรยายพฤติกรรมฮาร์ดแวร์ สำหรับผู้เริ่มต้น
ขอให้ศึกษาในหัวข้อดังกล่าวเพิ่มเติม ก่อนที่ศึกษาในบทความนี้
รูป : การเชื่อมต่อสาย JTAG และ Adapter เข้ากับบอร์ด FPGA Planton
2. การวาด
Schematic
2.1 ในขั้นแรกสร้างโปรเจ็คขึ้นมาใหม่ คลิ๊กเลือก File -> New Project
ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การสร้างโปรเจ็คใหม่
2.2 ตั้งชื่อโปรเจ็ค ในตัวอย่างนี้ตั้งชื่อว่า FPGA02 ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การตั้งชื่อโปรเจ็คและไดเร็คทอรี่สำหรับเก็บโปรเจ็ค
2.3 เลือกชิป FPGA ที่ใช้ในการโปรแกรมผลลัพธ์ลงในบอร์ด FPGA ในบทความนี้ใช้ไอซีชิป
Spartan3E XC3S250E ขนาดตัวถังแบบบ PQ208 เลือกรายละเอียดดังนี้
รูป : การกำหนดรายละเอียดเกี่ยวกับตัวชิป FPGA
2.4 การสร้างซอร์สโค๊ดขึ้นใหม่ โดยคลิ๊กขวา ที่ตัวชิปเลือก New Source
รูป : การสร้างซอร์สโค๊ดใหม่
2.5 ตั้งชื่อซอร์สไฟล์เป็นชนิด SCHEMATIC และตั้งชื่อตามต้องการ ในตัวอย่างนี้ตั้งชื่อว่า
ANDGATE
รูป : การสร้างซอร์สไฟล์ชนิด SCHEMATIC
2.6 ให้ท่านเลือก View -> Source และ Process ดังภาพต่อไปนี้ เพื่อแสดงทูลบ็อกของ
Source และ Process ดังภาพต่อไปนี้
รูป : แสดงการเลือกแสดงทูลบ็อก Source และ Process
2.7 เลือก All Symbols ในช่อง Categories และเลือก And2 ในช่อง Symbols เพื่อวาง
And Gate ลงบนพื้นที่ทำงาน ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การวางลอจิกเกต And ลงในพื้นที่ทำงาน
2.8 การใส่ I/O Marker ลงบนพื้นที่ทำงาน เพื่อทำหน้าที่เป็นขาสัญญาณรับ/แสดงผลข้อมูล
ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การใส่ I/O marker ให้กับ And Gate
2.9 ที่ทูลบ็อกของ Process ให้เลือกแท็บ Option จากนั้น เลือก Add an input
marker และชี้ไปยังขาอินพุตของแอนเกต ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การใส่ Input Marker ให้กับ And Gate
2.10 เปลี่ยนชื่อให้กับแพด โดยคลิ๊กขวา Object Properties หรือกดแป้น Alt+Enter
เพื่อเปลี่ยนชื่อให้กับสัญญาณอินพุต
รูป : การตั้งชื่อให้กับ สัญญาณอินพุต
2.11 ในตัวอย่างเป็นการเปลี่ยนสัญญาณอินพุต โดยตั้งชื่อว่า A,B,C และ D ตามลำดับ
รูป : การแสดงการเปลี่ยนชื่อสัญญาณอินพุต
2.12 ในขั้นตอนต่อไปเป็นการกำหนดสัญญาณเอาทพุต ให้กับแอนด์เกต โดยเลือกที่
Add I/O Marker จากนั้นเลือกชนิดของแพดเป็น Output Marker ดังนี้
รูป : การใส่แพดให้กับสัญญาณเอาพุต
2.13 ตั้งชื่อให้กับสัญญาณเอาพุตเป็นตัว Q ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การตั้งชื่อสัญญาณเอาพุต
2.14 เลือกการเชื่อมต่อสายสัญญาณ จากนั้นเชื่อมต่อสัญญาณของแอนเกตต์เข้าด้วยกัน
ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การเชื่อมต่อสายสัญญาณเข้าด้วยกัน
2.15 ถ้าทูลบ็อกที่ชื่อ " Source" หายไป ให้ท่านเลือก View ->
Source ได้ ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การเลือกทูลบ็อก Source เพื่อใช้ในการกำหนดขาสัญญาณให้กับ FPGA
3. การกำหนดขาสัญญาณให้กับชิป
FPGA
3.1 ในการกำหนดขาสัญญาณให้กับ FPGA ทำได้เหมือนในบทความเรื่อง การเขียนโปรแกรมภาษา
VHDL เพื่อบรรยายพฤติกรรมฮาร์ดแวร์ สำหรับผู้เริ่มต้น โดยคลิ๊กแท็บ Source
จากนั้นเลือกทีี่ AndGate คลิ๊กที่ User Constraints และดับเบิ้ลคลิ๊กที่
Assign Package Pins ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การกำหนดค่าให้กับขาสัญญาณของไอซี FPGA
3.2 กำหนดค่าให้กับขาสัญญาณไอซี FPGA ให้ A,B,C,D,Q ที่ขาไอซีหมายเลข p150,
p151, p152, p153 และ p181 ตามลำดับ ซึ่งตรงกับ Switch บนบอร์ด Planton ส่วน
p181 คือสัญญาณที่เชื่อมต่อกับหลอด LED เพื่อแสดงผล
รูป : การกำหนดขาสัญญาณให้กับ FPGA
4. การสังเคราะห์ฮาร์ดแวร์
ขั้นตอนการสังเคราะห์ฮาร์ดแวร์ จะให้ผลลัพธ์เป็น . BIT ซึ่งแตกต่างจากไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งให้ผลลัพธ์เป็น
. HEX ซึ่งให้ท่านดับเบิ้ลคลิ๊กที่ Generate Program หรือคลิ๊กขวาเลือก Run
ดังภาพต่อไปนี้
รูป : การสังเคราะห์ฮาร์ดแวร์ด้วย ISE
5. การโปรแกรมฮาร์ดแวร์ลงบนชิป
FPGA
ในการโปรแกรมวงจรดิจิตอลลงบนชิป FPGA ได้กล่าวไว้แล้วในบทความเรื่อง การเขียนโปรแกรมภาษา
VHDL เพื่อบรรยายพฤติกรรมฮาร์ดแวร์ สำหรับผู้เริ่มต้น ขอให้ศึกษาในหัวข้อดังกล่าวเพิ่มเติม
6. การทดสอบผลลัพธ์บนบอร์ดทดลอง
FPGA PlanTon
เมื่อเลื่อน Switch ที่เชื่อมกับสัญญาณ P150, p151, p152 และ p153 จะทำให้หลอด
LED ที่เชื่อมต่อกับสัญญาณ p181 ติด ซึ่งเป็นไปตามการทำงานของ Schematic
ของ AND Gate (4 Input) ที่ได้ออกแบบเอาไว้
รูป : การทดสอบผลลัพธ์ ที่สังเคราะห์จาก Schematic ของ AND Gate (4 Input)
กับบอร์ด FPGA PlanTon
สรุปผล
บทความนี้นำท่านเรียนรู้วิธีการในการออกแบบวงจรดิจิตอล ซึ่งมีการออกแบบ 3
แบบ คือ Schematic, VHDL และ State Diagram โดยบทความนี้ ได้แสดงให้เห็นการออกแบบด้วยวิธีวาด
Schematic และการออกแบบด้วย VHDL ได้เขียนไว้ในบทความเรื่อง การเขียนโปรแกรมภาษา
VHDL เพื่อบรรยายพฤติกรรมฮาร์ดแวร์ สำหรับผู้เริ่มต้น ซึ่งวงจรที่ออกแบบเสร็จเรียบร้อยแล้ว
สามารถโปรแกรมลงบนชิป FPGA เพื่อทำงานเป็นฮาร์ดแวร์จริง ๆ ผู้เขียนหวังว่าบทความนี้จะทำให้เกิดการพัฒนาด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ขึ้นมาได้บ้าง
และหวังเป็นอย่างยิ่งว่า บทความนี้จะกระตุ้นให้เกิดนักพัฒนาในชาติไทย หันมาสนใจการออกแบบวงจรดิจิตอลด้วย
VHDL พบกันใหม่ในโอกาสต่อไปครับ
|
|
|
ทฤษฎี IS ขั้นสูง
