Thiết kế hệ thống xử lý ảnh video trên FPGA (CycloneII), chương 3 ppsx

Chương 3: Lưu đồ thiết kế giữa vi điều
khiển 8031 và FPGA
Lưu đồ thiết kế cơ bản để xây dựng các ứng dụng cho vi
điều khiển và FPGA như hình 5. Đầu tiên phải tìm ra đặc tính
cho hệ thống đang thiết kế. Sau đó, xác đònh lối vào nào là giá
trò cho hệ thống và lối ra nào sẽ phát.
Vào lúc này, hệ thống phải phân chia các hàm giữa vi điều
khiển và FPGA. Một số tín hiệu lối vào sẽ đưa vào vi điều
khiển, một số sẽ đưa vào FPGA và một số khác sẽ đi vào cả hai.
Tương tự, một số lối ra sẽ được tính toán bởi vi điều khiển và
một số được tính bởi FPGA. Cũng sẽ có thêm một số lối vào và
lối ra mới của hệ thống được tạo ra bởi yêu cầu của cả FPGA và
vi điều khiển.

Thông thường, FPGA sẽ sử dụng chủ yếu các hàm bậc thấp
mà ở đó sự chuyển tiếp các tín hiệu xảy ra thường xuyên hơn và
mức logic điều khiển đơn giản hơn. Ngược lại, vi điều khiển
được sử dụng đối với các hàm bậc cao mà ở đó các đáp ứng xảy
ra chậm hơn và mức điều khiển logic phức tạp hơn. Một khi
thiết kế được phân chia, gán giá trò các lối vào, lối ra và các
hàm cho vi điều khiển và FPGA thì sau đó thiết kế chi tiết về
phần mềm và phần cứng có thể được bắt đầu. Đối với phần
mềm, ta có thể sử dụng chương trình soạn thảo thông dụng để
tạo ra file .ASM (Như ngôn ngữ assembler) và dòch nó thành file
.HEX với ASM51 cho vi điều khiển trên mạch XS40. Đối với
phần cứng FPGA, ta sử dụng phần mềm XILINX Foundation để

đưa bảng sự thật và các phương trình logic vào file .ABL hoặc
.VHD và dòch nó thành file .BIT.
Sử dụng chương trình GXSLOAD (được trình bày ở phần
sau) để download các File .HEX và file .BIT vào mạch XS40.
GXSLOAD lưu trữ nội dung file .HEX vào SRAM trên mạch
XS40. Sau đó, nó đònh dạng lại FPGA bằng cách nạp file
bitstream vào FPGA.
Khi mạch XS40 được nạp cả phần cứng và phần mềm, ta
phải kiểm tra xem nó đã thật sự hoạt động hay chưa. Thông
thường mạch chưa hoạt động, vì vậy ta phải xen các tín hiệu
kiểm tra vào và quan sát kết quả. XSPORT là một chương trình
đơn giản, cho phép gửi các tín hiệu kiểm tra đến mạch XS40

thông qua cổng song song của máy tính. Ta có thể nhận thấy sự
tác động trở lại của hệ thống đến các tín hiệu từ cổng song song
bằng cách lập trình cho FPGA và vi điều khiển để trạng thái lối
ra thông báo trên LED 7 đoạn (Gần giống với lệnh “printf”
trong ngôn ngữ lập trình C).
Hỡnh 5: Lửu ủo thieỏt keỏ FPGA vaứ vi ủieu khieồn
MẠCH XSTEND
I. Đặc điểm và tính năng
Mạch XS40 đưa ra các mẫu thiết kế FPGA và CPLD. Tuy
nhiên, kích thước vật lý của chúng nhỏ làm giới hạn giá trò sơ đồ
mạch hỗ trợ mà chúng có thể áp dụng. Mạch XSTEND gỡ bỏ
giới hạn này bằng cách cung cấp thêm mạch hỗ trợ mà XS40 có

thể sử dụng thông qua các giao diện breadboard của chúng.
Mạch XSTEND chứa các tài nguyên, mở rộng vùng ứng
dụng của các mạch XS ở 3 vùng:
 Các nút ấn, các công tắc DIP, các LED và vùng mẫu
được sử dụng cho các ứng dụng cơ bản. Các đặc trưng
này kết hợp với các mạch XS, sao chép lại chức năng
của mạch HW/UW FPGA trước đây.
 Giao diện màn hình VGA, giao diện chuột/bàn phím
cổng PS/2 và SRAM cho phép được sử dụng trong video
và trong tính toán.
 Mã hoá stereo và mạch 2 kênh vào/ra giúp cho việc xử
lý tín hiệu audio trong việc kết hợp các mạch DSP với

phần mềm XILINX’s CORE.
Mạch XSTEND mở rộng khả năng của mạch XS40 bằng
cách cung cấp:
 Giao tiếp mở rộng cho mạch XS40
 Hỗ trợ thanh LED và LED 7 đoạn.
 Nút ấn và các công tắc DIP
 Một giao diện với các màn hình VGA
 Một giao diện với bàn phím hoặc chuột loại PS/2
 Một SRAM bổ sung 64 Kbytes (tuỳ ý)
 Một stereo codec với các kênh vào và ra trái/phải
 Một giao diện với cáp XILINX Xchecker
 Một vùng mẫu 2.75” * 3.5” với nguồn 3.3V hoặc 5V

 Một bộ kết nối header được thêm vào mạch con.
Những tài nguyên này được trình bày trong mạch XSTEND
đơn giản hoá tổng quan. Mỗi tài nguyên được mô tả trong hình
vẽ bên dưới:
Hình 1: Layout mạch XSTEND
II. Mô tả mạch XSTEND
1. Vùng lắp đặt mạch XS40
Một mạch XS40 được gắn trên mạch XSTEND sử dụng
socket mạch XS. Những socket này kết hợp với các chân giao
diện breadboard của mạch XS cho phép chúng nối đến tất cả tài
nguyên của mạch XSTEND. Để sử dụng một mạch XS40 với
mạch XSTEND, ta cắm nó vào cột bên phải của socket, (nếu

dùng mạch XS95 thì ta cắm nó vào cột bên trái của socket). Có
những chỗ đánh dấu trên mạch XSTEND cho biết cột thích hợp
với mỗi loại mạch XS.
Nếu mạch XS nối với một nguồn điện được cấp thông qua
chân J9 thì mạch quy đònh nguồn điện của nó sẽ cung cấp VCC
và GND cho mạch XSTEND thông qua socket. Mạch XS40 với
FPGAs có nguồn điện là 3.3V sẽ cung cấp nguồn 3.3V và 5V
cho mạch XSTEND, trong khi đó mạch XS40 với FPGAs và
XS95 có nguồn điện 5Võ chỉ cung cấp 5V.
Nguồn cấp điện bên ngoài cũng có thể được dùng với mạch
XSTEND. Một nguồn điện 5V được nối với header J12 và
nguồn 3.3V được nối vào header J14 như hình 2. Các nguồn

cung cấp này cũng được cắm vào mạch XS cũng như mạch
XSTEND.
Hình 2: Kết nối nguồn cung cấp cho mạch XSTEND
 Chú ý
Không cắm nguồn cấp điện thế bên ngoài khi đang cấp
nguồn cho mạch XSTEND với một mạch XS
Không được đặt shunt vào J12 hoặc J14 hoặc là sẽ làm giảm
nguồn cung cấp nối mass và làm hư hại mạch XSTEND và
mạch XS đã gắn vào XSTEND.
2. LED
Mạch XSTEND cung cấp một led thanh với 8 led (D1 – D8)
và 2 led 7 đoạn (U1 và U2) được sử dụng bởi mạch XS. Tất cả

các led này đều hoạt động ở mức thấp có nghóa là 1 đoạn led sẽ
sáng khi mức logic thấp được kích vào nó. Nếu muốn các led
này hoạt động hay không hoạt động thì ta phải thiết lập jumper
như bảng 1:
Jumper Thiết lập
J8 Gỡ bỏ shunt trên jumper này không cho kết nối nguồn
điện với thanh led D1 – D8. Đặt shunt trên jumper cho
phép thanh led hoạt động.
J4 Gỡ bỏ shunt trên jumper này không cho kết nối nguồn
điện vớiø led 7 đoạn U1. Đặt shunt trên jumper cho
phép led U1 hoạt động
J7 Gỡ bỏ shunt trên jumper này không cho kết nối nguồn

điện vớiø led 7 đoạn U2. Đặt shunt trên jumper cho
phép led U2 hoạt động
J13 Đặt shunt trên jumper này, cho phép các led hoạt động
khi ta đang sử dụng mạch XSTEND với mạch XS95.
Nếu đang sử dụng mạch XS40 với mạch XSTEND thì
ta gỡ bỏ shunt trên jumper này
Bảng 1: Thiết lập các Jumper cho mạch XSTEND
Listing 1: Sự kết nối giữa các led của mạch XSTEND
# LEFT LED DIGIT SEGMENT CONNECTIONS
(ACTIVE-LOW)
NET LSB<0> LOC=P3;
NET LSB<1> LOC=P4;

NET LSB<2> LOC=P5;
NET LSB<3> LOC=P78;
NET LSB<4> LOC=P79;
NET LSB<5> LOC=P82;
NET LSB<6> LOC=P83;
NET LDPB LOC=P84;
#
# LEFT LED DIGIT SEGMENT CONNECTIONS
(ACTIVE-LOW)
NET RSB<0> LOC=P59;
NET RSB<1> LOC=P57;
NET RSB<2> LOC=P51;

NET RSB<3> LOC=P56;
NET RSB<4> LOC=P50;
NET RSB<5> LOC=P58;
NET RSB<6> LOC=P60;
NET RDPB LOC=P28;
#
#INDIVIDUAL LED CONNECTIONS (ACTIVE-LOW)
NET DB<1> LOC=P41;
NET DB<2> LOC=P40;
NET DB<3> LOC=P39;
NET DB<4> LOC=P38;
NET DB<5> LOC=P35;

NET DB<6> LOC=P81;
NET DB<7> LOC=P80;
NET DB<8> LOC=P10;