ModelSim, Verilog, Hello world

Первое впечатление от ПЛИС осталось неоднозначным, с одной стороны это интересные проекты и возможности в недалеком будущем, но это также и другой подход к решению проблем, следовательно нужно учиться абсолютно с нуля. Чтобы совсем не потеряться в поисках информации, будем последовательно решать задачи.

При изучении всякой новой технологии общепринято начинать с программ hello world. Некоторый уникумы хватаются сразу за серьезные проекты и бросают навсегда, из-за того что не осилить. Мы же этого делать не будем, медленно медленно спустимся и … 🙂

Я всегда начинаю с того, чтобы как то начать взаимодействовать с железякой — визуализировать информацию, в прошлый раз это было с помощью кнопки. Но согласитесь это не интересно, подобную схему можно реализовать имея резистор и кнопку, без всяких микроконтроллеров и ПЛИС. Кроме того особый интерес представляют всякого рода временные задержки, поэтому куда интереснее сделать светодиодную мигалку.

Задача — помигать светодиодом. Оказалось сделать это не так и просто, сформулировать решение просто — включил ножку, подождал, выключил (инвертировал), подождал. С включением и выключением проблем нет, можно просто инвертировать состояние например так a = !a;

Основной проблемой стали задержки. Как сделать так, чтобы логические элементы срабатывали не моментально, а с некой выдержкой. На борту у ПЛИС ничего вроде таймера нет, да и вообще ничего колеблющегося нет — только логика, поэтому очевидное решение — нужно как то использовать кварц на плате. Если у вас нет кварца, то ничего не выйдет, хотя есть мнение, что можно использовать внутренний генератор, но так глубоко я пока не копал.

Теперь представим ситуацию, как имея только логические элементы и 100МГц на борту, нужно сделать всего 0,1-1Гц чтобы помигать светодиодом. Решение в лоб нагуглилось легко — нужно поделить частоту до требуемых значений, возможно вам это известно, но все же попробуем разобраться.

Вначале нужно разобраться что такое D-триггер, взглянем на рисунок — имеется несколько пинов, основные которые нас интересуют D и Q, clk. Работает он так: чтобы мы не подавали на вход D, на выходе Q ничего не будет происходить пока на ножку clk не подаются импульсы.

Но как только на ножку clk пойдет импульс, то состояние ножки D будет «скопировано» на ножку Q, т.е. если на входе была логическая единица, то и на выходе установится логическая единица, если ноль, то соответственно и на выходе 0. Обновляться состояние выхода будет с частотой подаваемой на ножку clk. Если ничего не подается, то на выходе будет сохраняться состояние, полученное с последним импульсом. Такой триггер называют еще Flip-flop.

Чем это удобно? Допустим, нужно управлять 24 светодиодами, для этого вам понадобится 24 ножки микроконтроллера. Вместо этого, юзаем три регистра у каждого 8 таких триггеров, т.е. 8 входов и 8 выходов. Так как на выходе данные не появятся пока не будет подан импульс, то все ножки данных можно объединить и управлять по очереди. Итого понадобится 8 ножек данных и 3 ножки для подачи импульсов на каждый из триггеров, т.е. 11 ножек вместо 24. Подобный подход заюзан в схеме светодиодного куба.

Как же это поможет в мигании светодиодом? Данные в D-триггерах обновляются один раз за импульс, либо по нарастанию сигнала, либо по спаду. Теперь небольшая извращенская хитрость у триггера имеется инверсный выход, который соединяется со входом.

В первый момент включения, на входе D — 0, на выходе Q тоже ноль, следовательно на инверсном выходе появится логическая единица, ибо это «не» Q. Эта единица пойдет на вход D и при подаче тактового импульса, единица пойдет на выход Q, соответственно на инверсном выходе Q окажется ноль. В следующий такт, все снова поменяется местами. Таким образом, для одного периода на инверсном Q, потребуется два такта сигнала подаваемого на Clk. Вот таким образом и получается делитель частоты. Если не понятно — рекомендую собрать и проверить в том же протеусе или мультисиме.

Пробуем реализовать делитель на Verilog. Приноровиться к новому языку оказалось довольно не просто. Имеется модуль sim1 — название программы, есть некий output led0 — выход, которым мы в последствии будем дрыгать, чтобы мигать светодиодом. Вход для тактовой частоты clk. Регистр counter, на манер языка си это переменная, куда будем писать данные.

module sim1
(
output led0,
input clk,
output reg counter = 1'b0
);
 
assign led0 = counter;
 
always @(posedge clk)
begin
   counter = !counter;
end
endmodule

Как работает эта программа? Регистр counter является однобитным, изначально запишем в него ноль output reg counter = 1’b0. Строкой assign led0 = counter; мы присваеваем значение регистра counter нашему светодиоду. Независимо от остальной программы, это условие будет всегда выполняться само по себе.

Теперь перейдем к процедурному блоку, он начинается строкой always @(posedge clk) читать эту строку можно так: всегда выполнять код от begin до end, при нарастающем фронте ножки clk. Внутри этого блока мы каждый период тактовой частоты инвертируем состояние регистра(переменной) counter. Конечно велик соблазн написать так:

begin
   led0 = !led0;
end

т.е. просто инвертировать ножку со светодиодом, но Verilog не дает так сделать, присвоение внутри процедурного блока можно делать только для регистров, проводам нельзя ничего присваивать.

Если скомпилировать данную программу и посмотреть Tools-Netlist Viewers — RTL Viewer, то угадайте что мы увидим? Да это же наш D триггер.

Но теперь прикинем, это мы поделили 100МГц пополам, т.е. 50МГц — светодиод будет светиться постоянно на такой частоте. А если серьезно, то это же сколько делителей нужно, чтобы поделить 100 000 000 до 0,1Гц. Тут я задумался о каком нибудь симуляторе, ибо язык непривычный, чтобы проверить все догадки, придется не один раз прошить и есть шанс ничего так и не понять.

Первое что нагуглилось Modelsim Altera Starter Edition. Не знаю на сколько хорош этот симулятор, но мне он помог освоиться. По сути всю программу можно писать и отлаживать в нем, а уже готовое решение компилить в квартусе и прошивать. Можно их как то скрестить, но как то с ходу не получилось, потом буду разбираться. Сейчас просто забили на квартус — отлаживаемся в моделсиме.

Создаем новый проект: File-New Project. Указываем имя проекта, директорию и имя библиотеки (лучше оставить work).

Дальше создаем новый файл, указываем его имя и задаем язык Verilog

Пишем исходник, компилим и нажимаем Simulate — Start Simulation. Выбираем Library-Work, если в начале указывали work.

Переключаемся на вкладку Wave внизу, должно быть как то так.

Перетаскиваем clk и counter, на Wave. Для clk указываем clock. Запускаем симуляцию Run или F9.

Все выполняется с указанным шагом. Работает как задумано, на каждые два такта тактовой частоты, приходится один период counter.

Теперь в наших руках мощное оружие отладки 🙂 пора бы уже допилить эту мигалку, первое о чем подумалось — сделать некую переменную, которая бы отсчитывала временные периоды. Но даже так, за одну секунду у нас 100 000 000 тиков, сложно представить себе размер переменной, которая бы хранила такие числа. Для справки: регистрам можно задавать их размерность, т.е. количество хранимых бит, например 8 битный регистр:
reg[7:0] counter = 0’b00000000

В общем я сделал так: запускаю первый 12 битный счетчик, он считает до 4096, инвертирует некий промежуточный бит on, таким образом on будет работать на частоте 100 000 000/ (4096*2) ~ 12кГц,
дальше прицепляюсь к нарастанию фронта on и делю его еще одним 12 битным счетчиком 12 207/(4096*2) получилось примерно 1,5Гц. В результате получился такой код:

module sim1
(
input wire key0,
output led0,
input clk
);
reg[12:0] counter = 1'b0;
reg on = 1'b0;
reg [12:0] counter2 = 1'b0;
reg on2 = 1'b0;
 
assign led0 = on2;
 
always @(posedge clk)
begin
   counter = counter + 1'b1;
   if(counter == 4095)
     begin
       on = !on;
    end
end
always @(posedge on)
begin
  counter2 = counter2 + 1'b1;
  if(counter2 == 4095)
    begin
      on2 = !on2;
      end
end
endmodule

Вполне очевидно, что можно это реализовать проще, например повесить нормальный часовой кварц и нормально поделить на степень двойки, но я ориентировался на то что было 🙂 По поводу кварца, в симуляции все работало замечательно, а на железке нет, дело в том что кварц посажен на ножку 75 и в Pin planner нельзя забывать указать это для clk, иначе работать не будет.

Получилась немного сумбурно, но главный восторг — все работает, я гарантирую.

Проект квартуса