Общие сведения

Проектирование на ПЛИС, архитектура, средства и методы работы. Спецкурс посвящен теоретическим и практическим основам проектирования устройств на ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема) – полупроводниковый кристалл, связи между вентилями и логику работы которого можно формировать и менять многократно во время работы. Приобретаемые навыки: практический навык проектирования устройств на ПЛИС Xilinx в среде ISE Foundation. Основы VHDL и Verilog, архитектура Spartan-3e и Virtex-5. Работа с интерфейсами i2c, PCI, Ethernet, реализация контроллеров последовательного порта, модуля управления LCD дисплеем, работа с ЦАП/АЦП.

Продолжительность каждого спецкурса в рамках программы составляет два семестра. В каждом семестре проводится 12 обязательных занятий по 4 академических часа один раз в неделю, итого 48 часов/семестр. В осеннем семестре читается 8 часов лекций, проводится 16 часов семинаров, 20 часов практических занятий, 4 часа выделено на прием зачёта. Кроме того, могут проводиться дополнительные занятия в согласованном объеме. В весеннем семестре студенты в течение 44 часов выполняют курсовую работу по программированию и в течении 4-х часов защищают выполненную работу.

Проектирование на ПЛИС

Вы все знаете, что такое микросхема. На физическом уровне любая микросхема состоит из транзисторов, резисторов и конденсаторов, вытравленных на кристалле кремния, а на логическом – из логических элементов и триггеров. Каждый тип микросхем создан и оптимизирован для исполнения конкретной функции или набора функций (вычисления, передача и обработка цифровых сигналов, хранение данных…), и их структура (логическая схема) задана при производстве на заводе и не может быть изменена во время эксплуатации. Все микросхемы такие. Почти все…

Существуют цифровые устройства, чья логическая схема может быть изменена неограниченное количество раз уже после выпуска микросхемы с конвейера (но, конечно, не электрическая принципиальная схема, пожалуй, тут сможет помочь лишь нанотехнология). Такие микросхемы называются ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) или по-английски FPGA (field programmable gate array). Это очень молодая отрасль электроники (первую ПЛИС выпустила фирма Xilinx в 1985 году), которая развивается сегодня крайне быстро. ПЛИС или FPGA состоит из набора логических блоков (от тысяч до сотен тысяч, в зависимости от размера кристалла), состоящих из элемента, который может быть запрограммирован для исполнения любой логической функции нескольких аргументов и ячейки хранения данных. Эти логические блоки могут быть соединены разными способами посредством программируемой матрицы соединений. Логика работы каждого блока, а также соединения блоков между собой, определяются так называемой «прошивкой», которую вы загружаете в кристалл со своего ноутбука, по сети или любым другим удобным способом (отсюда английское название field programmable – программируемый «в поле»). В итоге вы полностью задаете логику функционирования кристалла, и можете использовать его для организации всевозможных интерфейсов (PCI/PCI Express, USB, TCP/IP, RS232…), обработки цифровых сигналов (выделение сигнала из шума, сжатие, кодирование, шифрование…) или для управления своей физической экспериментальной установкой (выдача синхросигналов для лазера, систем регистрации и обработки информации). Вы даже можете «прошить» микроконтроллер в ПЛИС, и там еще останется много места для памяти и схем управления периферией.

Задача курса – научить наших студентов методам и принципам работы с такими устройствами. Обучение проводится на современной материальной базе, включающей платы Spartan 3e Starter Kit с установленными на них ПЛИС Spartan 3e фирмы Xilinx, а также множеством периферийных устройств (ЦАП/АЦП, LCD дисплей, порты PS/2, VGA, RS232, TCP/IP). В первом семестре студенты изучают язык программирования VHDL для описания логики работы своих будущих устройств и выполняют простые проекты на платах стартового набора. Во втором семестре ребята используют полученные знания для разработки оригинальных проектов, которые могут быть связаны, например, с передачей данных по интерфейсам PCI/PCI Express или с обработкой цифровых сигналов с использованием средств MATLAB Simulink. И не только…

Программа курса

• Занятие 1: Введение в схемотехнику. Системы исчисления. Булева алгебра: таблицы истинности, ФАЛ. Комбинационные логические схемы (мультиплексоры, компараторы, дешифраторы). Создание и моделирование комбинационных логических устройств в схематическом редакторе ISE.
• Занятие 2: Схемотехника. Последовательные логические устройства. RS триггер (асинхронный, синхронный). D триггер. Триггера со статическим (триггера-защелки, latches) и динамическим (flip-flips) управлением. D flip-flop. Регистры и счетчики. Работа с последовательными лог. элементами в схематическом редакторе ISE. Практическая реализация задачи ”мигающие с заданной частотой светодиоды”
• Занятие 3: Архитектура Spartan 3e. Структура кристалла (конфигурируемые логические блоки, блоки ввода/вывода, общие трассировочные ресурсы, тактовые ресурсы, умножители, блочная память). Структура CLB. Структура IOB. Конфигурирование ПЛИС. Практическое использование примитивов Spartan 3e в схемотехническом редакторе ISE.
• Занятие 4: Введение в VHDL. Объекты и структуры языка. Иерархия проекта. Операторы назначения сигналов, процесса, вставки компонента. Конструкции для синтеза и для моделирования. Описание логической функции на VHDL, моделирование. Практическая реализация проекта ”мигающие с заданной частотой светодиоды” на языке VHDL.
• Занятие 5: VHDL. Типы данных, сигналы, переменные. Атрибуты сигналов. Последовательные и параллельные операторы. Реализация схемотехнических узлов и элементов на VHDL. Пакет std_logic и разрешение сигналов. Практическая реализация задачи ”передача данных по последовательному интерфейсу и управление светодиодами”.
• Занятие 6: Управляющие автоматы. Введение. Теория конечных автоматов. Автоматы Мура и Мили. Реализация конечных автоматов на VHDL. Практическая реализация задачи ”светофор”.
• Занятие 7: Управляющие автоматы и контроллер LCD дисплея. Теория работы контроллера LCD дисплея. Применение конечного автомата для управления выдачей сигналов инициализации LCD дисплея с использованием программы из памяти.
• Занятие 8: Работа с контроллером клавиатуры. Устройство и работа контроллера клавиатуры. Прием данных с клавиатуры и отображение на LCD дисплее.
• Занятия 9: Выполнение проекта по индивидуальному заданию. Разработка структуры проекта.
• Занятия 10: Выполнение проекта по индивидуальному заданию. Создание кода проекта на языке VHDL.
• Занятия 11: Выполнение проекта по индивидуальному заданию. Отладка программы на тестовой плате.
• Занятия 12: Выполнение проекта по индивидуальному заданию. Представление выполненного проекта.

Литература

• Опадчий. Аналоговая и цифровая электроника. (1 - 2 занятия)
• Сергиенко. VHDL (3 - 5 занятия)
• Максфилд. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца. (3 занятие)

Программа курса (осенний семестр)

Базовая часть

Тема 1. Введение. Программирование микроконтроллеров на языке С

Теория. Микроконтроллеры. Функции и применение микроконтроллеров. Основные параметры микроконтроллеров. Архитектура микроконтроллеров. Семейства микроконтроллеров ARM и их назначение. Устройство микроконтроллеров. Ядра Cortex-M0/M3/M4F. Периферийные блоки микроконтроллеров: ввод-вывод общего назначения, тактирование, таймеры, прерывания.

Язык С для микроконтроллеров ARM. Особенности разработки программ для микроконтроллеров по сравнению с программированием для ПК. Ввод и вывод. Адресация. Двоичное и шестнадцатеричное счисления. Среда программирования IAR EWARM. Возможности отладки программ.

Практика. Создание и настройка проекта в среде IAR. Создание прошивки, осуществляющей работу с блоком ввода-вывода общего назначения. Работа с технической документацией (поиск адресов аппаратных регистров, работа с принципиальной схемой тестовой платы).

Тема 2. Прерывания

Теория. Прерывания. Виды прерываний. Контроллер прерываний NVIC в ядре Cortex-M. Вектора прерываний. Приоритеты. Флаги прерываний в контроллерах STM. Рекомендации по написанию обработчиков прерываний.

Практика. Создание программы, реализующей асинхронный ввод-вывод сигналов. Освоение документации NVIC. Настройка прерываний блока ввода-вывода общего назначения.

Тема 3. Таймеры

Теория. Таймеры. Виды таймеров. Режимы работы таймеров. Измерение малых промежутков времени. Система тактирования микроконтроллера и методы её настройки.

Практика. Разработка программы для периодического вывода сигналов с использованием таймера и делителей частоты. Измерение параметров сигналов с помощью цифрового осциллографа.

Тема 4. Широтно-импульсная модуляция

Теория. Широтно-импульсная модуляция. Применение ШИМ для управления электронными устройствами. Особенности реализации ШИМ на микроконтроллере. Сглаживание. Специальные режимы работы таймеров.

Практика. Разработка программы для генерации ШИМ сигнала с заданными параметрами.

Тема 5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования

Теория. АЦП и ЦАП.  Частота дискретизации и разрядность. Основные виды АЦП (АЦП прямого преобразования, АЦП последовательного приближения, сигма-дельта АЦП) и их характеристики. Режимы запуска АЦП. Дифференциальный режим измерения. Алгоритмы усреднения измеряемых величин: скользящее среднее и экспоненциальное усреднение. Библиотека для работы с периферийными блоками HAL Driver.

Практика. Разработка программы, осуществляющей измерение напряжения внешнего аналогового сигнала с помощью АЦП.

Тема 6. Обмен данными

Теория. Последовательные и параллельные интерфейсы. UART. Принцип работы шины UART, протокол передачи данных. События блока UART на микроконтроллерах STM32. Протоколы SPI и I2C, их принципы работы. Концепция ведущий-ведомые.

Практика. Разработка прошивки для микроконтроллера, осуществляющей приём и отправку данных по UART. Освоение программного обеспечения для работы с COM-портами на ПК.

Тема 7. Флеш-память

Теория. Принцип работы ячейки флеш-памяти (транзистор с плавающим затвором, чтение и запись данных). NOR и NAND конструкции флеш-памяти. Многоуровневые ячейки. Особенности работы с флеш-памятью из программ.

Практика. Разработка программы для подсчёта импульсов с использованием флеш-памяти для сохранения значения счётчика на случай перезагрузки или потери питания.

Дополнительные темы (читаются по усмотрению преподавателя)

Тема Д1. Дисплеи

Теория. Виды дисплеев. Электронно-лучевые трубки (принцип работы, развёртка). Жидкокристаллические дисплеи (принцип действия ЖК ячейки, устройство мониторов, адресация). Кодирование цветов, битность изображения. Плазменные дисплеи. Светодиодные дисплеи. Проекторы (3LCD, LC0S, DLP). Резистивные и ёмкостные сенсорные дисплеи. Перспективные виды дисплеев (OLED, интерференционные дисплеи, SED, PixelSense).

Практика. Написание программы, осуществляющей вывод графических примитивов и текста на TFT-LCD дисплей тестовой платы. Освоение высокоуровневых библиотек для работы с периферийными блоками и внешними устройствами.

Тема Д2. Система тактирования микроконтроллера

Теория. Классификация и принципы работы генераторов тактовой частоты. Кварцевые и RC-генераторы. Фазовая автоподстройка, делители и умножители частоты. Тактовые частоты шин данных и периферийных блоков микроконтроллера.

Практика. Настройка системы тактирования микроконтроллера, вывод тактового сигнала микроконтроллера. Измерение частоты тактирования с помощью осциллографа. Изучение зависимости формы сигнала от значения тактовой частоты.

Тема Д3. USB

Теория. Краткая история внедрения шины USB. Физический уровень (кабели и разъёмы, состояния шины, кодирование данных). Пакетный уровень (структура и виды пакетов). Транзакционный уровень (адреса, конечные точки). Логический уровень (виды каналов, передача данных по периодам). Дескрипторы и классы устройств. Краткий обзор спецификаций USB.

Практика. Передача данных с ПК на контроллер по USB c использованием CDC класса.

Тема Д4. Операционные системы реального времени

Теория. Операционные системы мягкого и жёсткого реального времени, а также их особенности. Диспетчеризация задач. Синхронизация задач. Операционная система FreeRTOS. Некоторые функции для управления задачами во FreeRTOS.

Практика. Настройка FreeRTOS и создание многозадачной программы для управления светодиодами.

Программа курса (весенний семестр)

• Тематические лекции
• Дополнительные разделы программирования микроконтроллеров
• Выполнение курсовой работы по программированию

Отчетность

Осенний семестр - зачет

Весенний семестр - зачет с оценкой

- В конце осеннего семестра в течение 4 занятий выполняется зачетная работа.

Примеры тем зачетных работ:

• Измерение частоты внешнего сигнала с выводом результата на дисплей.
• Генерация ШИМ сигнала с регулировкой частоты и скважности.
• Измерение ёмкости конденсатора путём анализа формы отклика RC-цепи на периодический сигнал.
• Измерение индуктивности  путём анализа формы отклика RL-цепи на периодический сигнал.
• Генерация гармонического сигнала путём модуляции одиночными импульсами.
• Измерение расстояния между акустическим излучателем и микрофоном с помощью измерения задержки распространения звука.
• Измерение скорости звука импульсным методом
• Стабилизация напряжения в RC цепи с обратной связью. Напряжение задаётся с компьютера и выводится на дисплей.

- В течение весеннего семестра выполняется курсовая работа.

По согласованию с научными руководителями курсовая работа по программированию может быть совмещена с курсовой работой по физике. Для этого нужно, чтобы работа в значительной мере была посвящена автоматизации эксперимента или другим задачам, подразумевающим программированию микроконтроллеров.

Курсовые работы прошлых лет можно посмотреть здесь.

Литература

• Конспекты первых 2 лекций: лекция 1, лекция 2.
  
• Мартин М. Инсайдерское руководство по STM32
• Брайан Керниган, Деннис Ритчи "Язык программирования С"
• Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуда А.А. "Введение в микро-ЭВМ"
• Тревор Мартин, "Микроконтроллеры фирмы STMicroelectronics на базе ядра Cortex-M3. Серия STM32"
• Фрунзе А.В. "Микроконтроллеры это же просто" (Том1, Том2, Том3)
• К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки "Организация ЭВМ"
• Paul Scherz. Practical electronics for inventors.