lab_3.tex

\chapter{Лабораторная работа №3\\Секундомер} 

\par{В прошлых лабораторных работах мы изучили базовые строительные блоки цифровых устройств. Теперь у нас уже достаточно знаний для реализации несложного, но функционально законченного цифрового устройства.}

\par{В данной лабораторной работе мы познакомимся с процессом проектирования полноценного цифрового устройства на примере разработки простого секундомера. Мы подробно, поэтапно, рассмотрим процесс проектирования, проиллюстрировав каждый этап графической схемой.}

\par{Для эффективного проектирования любого цифрового устройства нужно придерживаться некоторой \quotes{канвы} проектирования. Это поможет не запутаться и последовательно разобраться с вопросами, возникающими в ходе проектирования.}

\par{\textbf{Начинать проектирование любого цифрового устройства следует с определения входов и выходов.} Нужно понять, какие данные будут входными для проектируемого устройства, и какие данные нам надо выработать и подать на выход.}

\vspace{4mm}
\par{В случае секундомера справедливы такие рассуждения:}
\par{Чтобы управлять работой секундомера нам понадобятся два входа: \quotes{старт/стоп} и \quotes{сброс}.}
\par{Для отображения времени можно воспользоваться семисегментными индикаторами. Значит, для управления каждым из них понадобится семибитная шина, которая будет выходом нашего устройства.}
\par{Для отображения времени выделим 2 индикатора для количества прошедших секунд и 2 индикатора для количества прошедших десятых и сотых долей секунды соответственно.}
\par{Значит выходом секундомера будут четыре семибитные шины для управления индикаторами.}
\par{В основе секундомера лежит счётчик. Работая, секундомер отсчитывает время, считая количество пришедших импульсов сигнала синхронизации, частота которого заранее известна.}
\par{Т.е. нам потребуется сигнал синхронизации со стабильной частотой.}
\vspace{4mm}

\par{Больше никаких входов и выходов не требуется.}
\par{Общая схема на данный момент выглядит так:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/blackbox}
	\caption{Общая схема секундомера}
\end{figure}

\par{Начнём описывать модуль на языке \eng{Verilog}:}

\lstinputlisting[caption={Описание входов и выходов секундомера}, ]{./code_examples/lab_3/stopwatch_module.v}

\par{Теперь приступим к описанию \quotes{внутренностей} модуля.}

\par{Чтобы реализовать секундомер, нам необходимо отсчитывать время.}

\par{Для отсчёта времени в цифровых устройствах считают количество прошедших импульсов синхронизации (тактов). Так как тактовые импульсы генерируются кварцевым генератором со стабильной, известной нам, частотой, то мы можем рассчитать количество импульсов, которое соответствует заданному времени.}

\par{Например, если в устройстве установлен кварцевый генератор на 26 МГц, то одной секунде соответствует 26 миллионов тактовых импульсов, а одной сотой секунды соответствует 260 тысяч тактовых импульсов.}

\par{Для того, чтобы отсчитать это количество импульсов подходит единственный из известных нам \quotes{строительных блоков} - счётчик:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/counter}
	\caption{Структура счетчика}
\end{figure}


\par{Как мы уже говорили, счётчик состоит из регистра и сумматора. Чтобы счётчик циклически отсчитывал одну сотую секунды его необходимо обнулить после того, как он отсчитает 260 тысяч тактовых импульсов. В этот же момент нужно выработать сигнал для остальной схемы, что прошла одна сотая секунды.}

\par{Из всех цифровых блоков, для реализации задачи сравнения текущего значения счётчика с константой подходит только компаратор. Компаратор -- логический блок с двумя N-разрядными входами и одним одноразрядным выходом. Когда на сигналы на двух входах эквивалентны, на выходе компаратора появляется логическая единица. Иными словами, компаратор (от англ. compare) сравнивает между собой два значения. На один из входов компаратора подадим текущее значение счётчика, а на другой вход - константу 260 000.}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/count_comp}
	\caption{Структура счетчика с компаратором}
\end{figure}

\par{Пока значения на входах компаратора будут отличаться, на выходе компаратора будет значение \quotes{0}. Когда значения будут равны, компаратор изменит выход с \quotes{0} на \quotes{1}, это и будет признак того, что прошло 0.01 секунды. Для того, чтобы можно было эффективно использовать сигнал \quotes{прошло 0.01с}, этот сигнал должен иметь длительность равную 1 такту.}

\par{Этот же сигнал мы будет использовать для управления сбросом счётчика.}

\par{Итак, счётчик должен после достижения значения 260 000 принять значение \quotes{0}, но переход должен случиться, как и все остальные переходы, в момент перехода тактового сигнала из \quotes{0} в \quotes{1}.}

\par{Сброс, отвечающий таким условиям, называется \quotes{синхронный сброс}.}

\par{Посмотрите, как будет выглядеть на временной диаграмме как будет работать счётчик если выход компаратора, подключить как сигнал синхронного сброса:}

\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikztimingtable}[%
    timing/dslope=0.1,
    timing/.style={x=5ex,y=2ex},
    very thick,
    x=3ex,
    timing/rowdist=3.3ex,
    timing/name/.style={font=\sffamily\scriptsize},
]

	& 16{c} \\
	& 0.5D{} D{259997} D{259998} D{259999} D{0} D{1} D{2} D{3} 0.5D{}\\
	& 2.5L 1H 4.5L\\
\extracode
\begin{pgfonlayer}{background}
\node [align=center,scale=0.6,text width=26ex] at (-8ex, -6ex) {Выход компаратора, подключенный в виде синхронного сброса};
\begin{scope}[semitransparent ,semithick]
\end{scope}
\end{pgfonlayer}
\end{tikztimingtable}
\caption{Временная диаграмма работы счётчика с синхронным сбросом}
\end{figure}

\par{А так выглядит временная диаграмма, если подключить выход компаратора к входу асинхронного сброса триггера:}

\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikztimingtable}[%
    timing/dslope=0.1,
    timing/.style={x=5ex,y=2ex},
    very thick,
    x=3ex,
    timing/rowdist=3.3ex,
    timing/name/.style={font=\sffamily\scriptsize},
]
	& 16{c} \\
	& 0.5D{} D{259996} D{259997} D{259998} 0.3D{} 0.7D{0} D{1} D{2} D{3}0.5D{}\\
	& 3.5L 0.3H 4.2L\\
\extracode
\begin{pgfonlayer}{background}
\node [align=center,scale=0.6,text width=26ex] at (-8ex, -6ex) {Выход компаратора, подключенный в виде асинхронного сброса};
\draw [->,thick] (12ex,-8ex) to [out=50,in=190] (16ex,-5ex) to [out=10,in=-100] (18.5ex,-3.3ex);
\node [align=center,below,scale=0.6,text width=10ex] at (12ex,-8ex) {259999};
\begin{scope}[semitransparent ,semithick]
\end{scope}
\end{pgfonlayer}
\end{tikztimingtable}
\caption{Временная диаграмма работы счётчика с асинхронным сбросом}
\end{figure}

\par{Выход компаратора, установившись в единицу, моментально сбросит счётчик и, так как значение счётчика изменилось, а значит, изменился и один из входов компаратора, выход компаратора сразу же перейдет в значение \quotes{0}.}

\par{Обратите внимание, что длительность сигнала с выхода компаратора должна быть равна одному такту. Ведь в дальнейшем нам необходимо будет считать события \quotes{прошла одна сотая секунды}, а значит подготовить сигнал единичной длительности, который соответствует этому событию (см. лабораторную работу №2).}

\par{Сигнал с компаратора в случае, когда он подключен в виде синхронного сброса, полностью удовлетворяет этому условию, а значит нам не придется в дальнейшем вводить новые фрагменты схемы.}

\par{Как реализовать синхронный сброс в цифровом устройстве?}

\par{Для этого можно использовать мультиплексор. Схема будет выглядеть следующим образом:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/sync_reset}
	\caption{Схема реализации синхронного сброса}
\end{figure}

\par{Если подключить \eng{sync\_reset} к выходу компаратора, то когда счётчик достигнет порогового значения, выход компаратора изменится и переключит мультиплексор. Теперь на выход мультиплексора будет подаваться \quotes{0}. Этот сигнал будет поступать на вход триггера, но запись нового значения произойдет только во время положительного фронта сигнала синхронизации.}

\par{Для общего сброса секундомера при нажатии кнопки \quotes{сброс} как раз можно воспользоваться входом асинхронного сброса регистра. Ведь при нажатии кнопки \quotes{сброс} можно обнулять регистр мгновенно.}

\par{Теперь надо выбрать правильный сигнал управления работой счётчика - сигнал разрешения работы (\eng{Enable}, \eng{EN}). Ведь счётчик должен начинать считать после нажатия кнопки \quotes{старт/стоп}, а после её повторного нажатия должен останавливаться.}

\par{Для управления работой счётчика можно использовать сигнал, который будет единицей, пока счётчик должен работать и нулём, если отсчёт времени остановлен. Как раз такой сигнал можно подать на вход разрешения работы регистра. Назовём этот сигнал \qeng{device\_running}.}

\par{Посмотрите, как выглядит остановка и запуск счётчика в таком случае:}

\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikztimingtable}[%
    timing/dslope=0.1,
    timing/.style={x=5ex,y=2ex},
    very thick,
    x=3ex,
    timing/rowdist=3.3ex,
    timing/name/.style={font=\sffamily\scriptsize},
]
				& 16{c} \\
	\eng{device\_running}	& 2.5H 3L 2.5H\\
	Значение счетчика	& 0.5D{} D{19157} D{19158} 4D{19159} D{19160} 0.5D{}\\
\extracode
\end{tikztimingtable}
\caption{Временная диаграмма работы сигнала \eng{device\_running}}
\end{figure}

\par{К проектированию и описанию схемы, которая вырабатывала бы сигнал \qeng{device\_running}, мы вернемся позднее.}

\par{Стоит обратить внимание на следующий момент: что будет, если счётчик остановить в тот момент времени, когда его значение стало равно 259999?}

\par{Взгляните на временную диаграмму:}

\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikztimingtable}[%
    timing/dslope=0.1,
    timing/.style={x=5ex,y=2ex},
    very thick,
    x=3ex,
    timing/rowdist=3.3ex,
    timing/name/.style={font=\sffamily\scriptsize},
]

				& 16{c} \\
	\eng{device\_running}	& 2.5H 5.5L\\
				& 0.5D{} D{259997} D{259998} 5.5D{259999}\\
	Выход компаратора	& 2.6L 5.4H \\
\extracode
\end{tikztimingtable}
\caption{Временная диаграмма работы счетчика}
\end{figure}

\par{Для того чтобы не допустить такого поведения, можно немного изменить условие, запрещающее работу счётчика. Теперь мы будем дополнительно проверять сигнал с компаратора. И если счётчик в данный момент равен 259999, то запретить его работу будет невозможно.}

\par{Для решения этой задачи подойдет вентиль \quotes{или}. Условие будет таким: \quotes{работа разрешена, если сигнал \qeng{device\_running} равен единице \textbf{ИЛИ} когда текущее значение счётчика равно 259999}.}

\par{Теперь схема счётчика выглядит следующим образом:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/pulse_counter}
	\caption{Схема счетчика тысячных долей секунды}
\end{figure}

\par{Когда мы представили схему в виде набора цифровых блоков, мы можем описать её поведение на языке \eng{Verilog}:}

\lstinputlisting[caption={Описание счетчика тактовых импульсов на языке \eng{Verilog}}, ]{./code_examples/lab_3/pulse_counter.v}

\par{Теперь, когда у нас есть счетчик, отсчитывающий такты и сигнализирующий о том, что прошла сотая доля секунды, мы можем отсчитывать сотые доли секунды.}

\par{Перед нами встаёт выбор.}

\par{Первый вариант – отсчитывать количество прошедших сотых долей секунды единственным счётчиком. Значение этого счётчика мы можем дешифрировать, чтобы выделить из него количество единиц, десятков, сотен и тысяч прошедших долей секунды, чтобы подать эти значения на дешифраторы семисегментных индикаторов:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/timer_struct_1}
	\caption{Схема секундомера с дешифраторами разрядов}
\end{figure}

\par{Второй вариант – использовать отдельные счётчики для сотых долей секунды, десятых долей секунды, целых секунд и десятков секунд.}

\par{Т.е. первый счетчик подсчитывает количество прошедших сотых долей секунды от 0 до 9, и, затем обнуляется, вырабатывая сигнал \quotes{прошла десятая доля секунды}. Следующий счётчик, точно также считает уже десятые доли и вырабатывает сигнал \quotes{прошла одна секунда} и так далее.}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/timer_struct_2}
	\caption{Схема секундомера со счётчиками разрядов}
\end{figure}

\par{Второй вариант для нас проще в реализации, компактнее, удобнее и понятнее.}

\par{Поэтому выберем именно его.}

\par{В качестве счётчиков подойдет уже описанная нами схема для подсчёта тактов, но с небольшими правками.}

\par{Счетчики подойдут нам потому, что функция их идентична – подсчёт событий с ограничением диапазона. Изменить нужно будет только разрядность счётчика с 16 на 4 и верхнюю границу счёта с 260000 на 9. Тогда счётчик будет выдавать признак переполнения (достижения границы отсчёта, когда его значение будет становиться) девяткой.}

\par{Еще одним моментом, о котором нужно позаботиться – длительность выходного сигнала.}

\par{Пока счётчик считал такты, его значение менялось каждый такт. Компаратор просто не мог принять значение 1 более чем на один такт. Теперь ситуация выглядит следующим образом:}

\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikztimingtable}[%
    timing/dslope=0.1,
    timing/.style={x=3.5ex,y=2ex},
    very thick,
    x=3ex,
    timing/rowdist=3.3ex,
    timing/coldist=2pt,  
    timing/name/.style={font=\sffamily\scriptsize},
]
	& 11{c} 2{0.5c} 11{c} \\
	& 0.5D{} D{[scale=0.7]{259997}} D{[scale=0.7]{259998}} D{[scale=0.7]{259999}} D{[scale=0.7]{0}} 1D{[scale=0.7]{1}} 0.5D{} D{[scale=0.7]{259997}} D{[scale=0.7]{259998}} D{[scale=0.7]{259999}} D{[scale=0.7]{0}} D{[scale=0.7]{1}} 0.5D{}\\
	& 2.5L 1H 4.5L 1H 2.5L\\
	& 3.5D{[scale=0.7]{8}} 2D{[scale=0.7]{9}} 3.5D{[scale=0.7]{9}} 2.5D{[scale=0.7]{0}} \\
	& 3.5L 5.5H 2.5L\\
	& 8L 1H 2.5L\\
\extracode
\draw[fill=white,color=white] (20ex,-19ex) rectangle (18.8ex,4ex);
\begin{pgfonlayer}{background}
\node [align=right,scale=0.7,text width=22ex] at (-10ex, -3ex) {Счетчик тактов};
\node [align=right,scale=0.7,text width=22ex] at (-10ex, -6ex) {\quotes{Прошла 0.01с}};
\node [align=right,scale=0.7,text width=22ex] at (-10ex, -9ex) {Счетчик сотых долей};
\node [align=right,scale=0.7,text width=22ex] at (-10ex, -12ex) {Выход компаратора счетчика сотых долей};
\node [align=right,scale=0.7,text width=22ex] at (-10ex, -15ex) {\quotes{Прошла 0.1с}};
\draw [very thick, color=black] (20.15ex,4ex) -- (20.15ex,-19ex);
\draw [very thick, color=black] (18.65ex,4ex) -- (18.65ex,-19ex);
\end{pgfonlayer}
\end{tikztimingtable}
\caption{Временная диаграмма работы секундомера}
\end{figure}

\par{Счетчик будет переключаться каждую 0,01 секунды, 0,1 секунды, 1 секунду или 10 секунд. И выход компаратора будет устанавливаться в 1 на всё время, которое потребуется для переключения счётчика из 9 в ноль. Т.е. в случае счётчика сотых долей секунды потребуется 259999 тактов.}

\par{Как выделить из всего времени, пока счётчик имеет значение \quotes{9} сигнал длительностью в один такт, который возникает в нужный момент времени? На временной диаграмме этот сигнал отмечен как \quotes{прошла 0,1с.}

\par{Сигнал \quotes{прошла 0,1с} можно получить из сигналов, представленных на временной диаграмме следующим образом: событие \quotes{прошла 0,1с} является истинным, когда выход компаратора равен единице \textbf{И} \quotes{прошла 0,01с}.}

\par{Схема счётчика практически не изменилась:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/hundredth_counter}
	\caption{Схема счётчика сотых долей секунды}
\end{figure}

\par{Скорректируем описание её работы на \eng{Verilog}:}

\lstinputlisting[caption={Описание счетчика сотых долей секунды на языке \eng{Verilog}}, ]{./code_examples/lab_3/hundredth_counter.v}

\par{Счётчики десятых долей секунды, целых секунд и десятков секунд устроены абсолютно также. В описаниях изменятся только названия сигналов и регистров. Единственное в чем необходимо быть внимательным – это подключение сигналов. Для правильного подключения надо свериться со схемой, которую мы выбрали ранее.}

\par{Теперь вернёмся к вопросам, которые мы отложили ранее.}

\par{В нашем устройстве пока нет описания схемы, которая вырабатывает сигнал \qeng{device\_running}. Сигнал должен управляться кнопкой, поэтому как мы уже говорили в лабораторной работе №2, потребуется схема, синхронизирующая сигнал, поступающий с кнопки, с внутренним сигналом \eng{clk} (тактовые импульсы).}

\par{Также сразу выделим из всего нажатия признак того, что кнопка была нажата, так, чтобы по длительности этот признак был равен одному такту.}

\par{Тогда схема будет абсолютно такой же, как и в лабораторной работе №2 и будет выглядеть следующим образом:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_2/register}
	\caption{Схема выработки синхронного импульса из асинхронного события}
\end{figure}

\par{Поведение такой схемы описывается на языке \eng{Verilog} следующим образом:}

\lstinputlisting[caption={Описание схемы синхронизации на языке \eng{Verilog}}, ]{./code_examples/lab_3/button_syncroniser.v}

\par{Эта схема и её описание подробно рассмотрены в лабораторной работе №2.}

\par{Теперь нам нужно построить схему, которая по нажатию кнопки переключала бы сигнал \quotes{device\_running} из \quotes{0} в \quotes{1} и из \quotes{1} в \quotes{0}.}

\par{Что нам понадобится? Триггер, чтобы хранить значение \qeng{device\_running}. Чтобы менять значение на противоположное надо знать противоположное значение, значит, нужен инвертор. Событие должно случаться по сигналу \qeng{button\_was\_pressed}, а значит речь, скорее всего, идет о входе разрешения работы триггера.}

\par{Немного подумав над этими вводными, нетрудно составить следующую схему:}

\begin{figure}[H]
	\centering
	\def\svgwidth{\columnwidth}
	\includesvg{images/lab_3/device_stopped}
	\caption{Схема переключения сигнала \qeng{device\_running}}
\end{figure}

\par{Временная диаграмма, которая соответствует работе этого устройства:}

\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikztimingtable}[%
    timing/dslope=0.1,
    timing/.style={x=5ex,y=2ex},
    very thick,
    x=3ex,
    timing/rowdist=3.3ex,
    timing/name/.style={font=\sffamily\scriptsize},
]
					& 15{c} \\
	\eng{button\_was\_pressed}	& 1.5L 1H 3L 1H 1L\\
	\eng{device\_running}		& 2.5L 4H 1L\\
\extracode
\end{tikztimingtable}
\caption{Временная диаграмма переключения сигнала \qeng{device\_running}}
\end{figure}

\par{Описание поведения этой схемы на \eng{Verilog} также не представляет сложности. Выполните его самостоятельно.}

\par{Теперь приведем полное описание секундомера (за исключением схемы, вырабатывающей сигнал \qeng{device\_running}), выполненное на языке \eng{Verilog}:}

\lstinputlisting[caption={Описание секундомера на языке \eng{Verilog}}, ]{./code_examples/lab_3/stopwatch.v}

\section{Задание лабораторной работы:}


\begin{enumerate}[noitemsep,topsep=0pt, after=\vspace{2pt}]

	\item{Изучить разработку к лабораторной работе.}

	\item{Самостоятельно выполнить описание схемы, вырабатывающей сигнал \qeng{device\_running}.}

	\item{Выполнить синтез и моделирование работы счётчика.}

	\item{Продемонстрировать в результатах моделирования фрагменты временных диаграмм, приведенных в заработке.}

	\item{Изучить работу устройства, реализованного в ПЛИС учебного стенда.}

\end{enumerate}

%\par{Подготовить ответы на вопросы к защите лабораторной работы.}

%\section{Вопросы к защите лабораторной работы}

%\par{*in progress*}