IS3 マイクロコンピュータ基礎 HDL実習
本実習では Intel社(ALTERA社)のFPGAチップCyclone Vが搭載された DE0-CV開発ボードを使います。 このボードは、スライドスイッチ(SW9-0)、プッシュスイッチ(KEY0-4)、 LED(LEDR9-0)、7セグメントLED(HEX5-0)、GPIOなど多くのI/Oを 備えています。
http://cd-de0-cv.terasic.com より、ユーザーマニュアルをダウンロードしておいてください。
本実習では回路設計を行うための EDA(electronic design automation) ツールとして Quartus Prime Lite Edition を利用します。
実習ボードのスライドスイッチSW7-0に入力された0/1のビットパターンを そのままLEDのLEDR7-0に表示する回路の設計実装を行う実習を通して、 実習ボードと開発ツールの使い方を学んでいきましょう。
Quartus Prime Lite Editionを起動します。
起動したら、[File]>[New Project Wizard] よりプロジェクト作成のためのウィザードを起動し、下記を設定します。
- working directory (プロジェクトフォルダが置かれる作業フォルダ)
- project (プロジェクト名)
- top-level entity (PIN接続される一番外側の回路モジュール名)
設定例:
- working directory: Z:/digital/working_directory/simple_io
- project: simple_io
- top-level entity: simple_io
今回はEmpty projectを選択してください。
既に作成したデザインファイルやライブラリを プロジェクトに取り込みたい場合に設定します。
今回は何も追加せずに次に進んでください。
開発対象のデバイス(FPGAチップ)を選択します。
今回は Cyclone V 5CEBA4F23C7 を選択します。
シミュレータなど他のEDAツールを使う場合の設定です。
今回はそのままで次に進んでください。
これまでの設定をここで確認します。 問題なければ[Finish]を押してください。 プロジェクトのひな型が作成されます。
[File]>[New]>[Design Files/SystemVerilog HDL File]を選択します。
エディタが立ち上がりますので、リスト1.1のデザインファイルを作成し、 適切なファイル名を付けて保存します。 ファイル名は simple_io.sv の様に拡張子を .sv としてください。
なお、モジュール名(module の後についている名前)は top-level entityと同じにする必要があります。
[リスト1.1 : simple_io.sv]
module simple_io(
input logic [7:0] sw,
output logic [7:0] led
);
assign led = sw;
endmodule[Processing]>[Start]>[Start Analysis & Elaboration] を選択し、デザインファイルの解析を行います。
下記の様に表示されれば大丈夫です。
Info: Quartus Prime Analysis & Elaboration was successful.
デザインファイルに誤りがあると下記の様なエラー表示がでます。 修正を行ったうえで再度[Start Analysis & Elaboration]を行ってください。
Error (10161): Verilog HDL error at simple_io.sv(8): ...
[Assignments]>[Pin Planner]を選択してPin Plannerを起動します。
作成した simple_io モジュールの入出力ポートが適切なI/Oデバイスに 接続されるよう、ピンの割り当てを行います。
今回はled[7]-led[0]がボードのLEDR7-LEDR0、sw[7]-sw[0]がSW7-sw0に接続されるように表1.1のとおりピンの設定を行います。
[表1.1 : simple_ioモジュールのピン割り当て]
| Node Name | Location | 割り当てデバイス | 入出力 |
|---|---|---|---|
| led[0] | PIN_AA2 | LEDR0 | output |
| led[1] | PIN_AA1 | LEDR1 | output |
| led[2] | PIN_W2 | LEDR2 | output |
| led[3] | PIN_Y3 | LEDR3 | output |
| led[4] | PIN_N2 | LEDR4 | output |
| led[5] | PIN_N1 | LEDR5 | output |
| led[6] | PIN_U2 | LEDR6 | output |
| led[7] | PIN_U1 | LEDR7 | output |
| sw[0] | PIN_U13 | SW0 | input |
| sw[1] | PIN_V13 | SW1 | input |
| sw[2] | PIN_T13 | SW2 | input |
| sw[3] | PIN_T12 | SW3 | input |
| sw[4] | PIN_AA15 | SW4 | input |
| sw[5] | PIN_AB15 | SW5 | input |
| sw[6] | PIN_AA14 | SW6 | input |
| sw[7] | PIN_AA13 | SW7 | input |
実習ボードDE0-CVにおいて、 各ピンがどのI/Oデバイスに接続されているかは ユーザーマニュアルを確認してください。
[Processing]>[Start Compilation]を選択して、 プロジェクトのコンパイルを行います。
しばらく時間がかかります。下記の様に表示されるとコンパイル成功です。
Info (293000): Quartus Prime Full Compilation was successful.
コンパイルで作成された回路情報を実習ボードに書き込みます。
まず、PCと実習ボードDE0-CVをUSBケーブルで接続し、実習ボードの電源を入れます。 SW10はRUNに設定しておいてください。
Quartus Primeの方で、[Tools]>[Programmer]を選択しProgrammerを起動します。
- [Hardware Setup]でUSB-Blaster[USB-0]を選択
- ModeはJTAGを選択
Fileが空欄の場合は[Add File]より output_files/ 下にあるsofファイルを選び追加してください。
sofファイルのProgram/Configureにチェックを入れてください。
この状態で[Start]をクリックすると、書き込みが開始されます。 Progressが100%になると書き込み完了です。
実習ボードDE0-CVのスライドスイッチSW7-0をいろいろと切り替えて、 LEDR7-0がどの様に点灯するかを確認しましょう。
[File]>[Save Project]より、プロジェクトの保存ができます。
次回以降、保存したプロジェクトを利用したいときは [File]>[Open Project]からプロジェクト名の付いたqpfファイルを選択します
新たなプロジェクトを作成し、リスト1.2に示すデザインファイルで設計される回路を実装しましょう。 ただし、プロジェクトのtop-level entity は bitwise_and とします。 また、ピンの割り当ては表1.2の通りとします。
この回路がどのような動作をするか、スライドスイッチsw7-0をいろいろと切り替え観察しましょう。
[リスト1.2 : bitwise_and.sv]
module bitwise_and(
input logic [3:0] sw_high,
input logic [3:0] sw_low,
output logic [3:0] led
);
assign led = sw_high & sw_low;
endmodule[表1.2 : bitwise_and のピンの割り当て]
| Node Name | Location |
|---|---|
| led[0] | PIN_AA2 |
| led[1] | PIN_AA1 |
| led[2] | PIN_W2 |
| led[3] | PIN_Y3 |
| sw_low[0] | PIN_U13 |
| sw_low[1] | PIN_V13 |
| sw_low[2] | PIN_T13 |
| sw_low[3] | PIN_T12 |
| sw_high[0] | PIN_AA15 |
| sw_high[1] | PIN_AB15 |
| sw_high[2] | PIN_AA14 |
| sw_high[3] | PIN_AA13 |