Einführung in die Quartus II Software und die Altera-Boards. Inhaltsverzeichnis. Vorbemerkungen. 1.1 Installation der Software

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1 Fakultät für Physik Prof. Dr. H. Gemmeke A. Schmidt, J. Erfle, M. Frey, Dr. F. Hartmann 14. Dezember 2007 Einführung in die Quartus II Software und die Altera-Boards Inhaltsverzeichnis 1.1 Installation der Software Benutzung der Software Vorbemerkungen zur Hardware Sieben-Segment-Anzeigen LED-Reihen DIP-Schalter Systemuhr und Frequenzeingang Ampelschaltung Besonderheiten der UP1/UP2-Boards Besonderheiten des UP3-Boards Vorbemerkungen Bei den beiden Übungen, die sich mit AHDL (Altera Hardware Description Language) beschäftigen, ist es wichtiger denn je, zu Hause vorzuarbeiten. Ohne sorgfältige Vorbereitung wird es nicht möglich sein, in dem gegebenen Zeitrahmen auch nur die Pflichtaufgaben durchzuführen. Sie sollten sich zumindest mit der Entwicklungsumgebung vertraut machen und sich genau überlegen, wie Sie die folgenden Aufgaben programmieren wollen. Unterschätzen Sie nicht das Problem, dass sämtliche Befehle parallel bearbeitet werden! Die bekannte sequentielle Programmierlogik bringt einen häufig nicht weiter, sondern irritiert zusätzlich. Am besten schreiben Sie den Quelltext für Ihre Lösungen bereits zu Hause und kompilieren ihn. Während der Übungen werden wir dann noch genug damit zu tun haben, verbliebene Probleme zu lösen. Diese kurze Einführung ist zum schnellen Nachschlagen da und reicht auf keinen Fall alleine zur Vorbereitung aus! 1.1 Installation der Software 1. Laden Sie die Quartus II 7.2 Web Edition Software (775 MB!) von der folgenden Seite herunter (Nios II wird nicht benötigt): design/quartus we/dnl-quartus we.jsp Dazu müssen Sie sich mit Namen und Adresse registrieren, was Sie für den Lizenzantrag sowieso tun müssen. Falls Sie keinen hinreichend schnellen Internetzugang haben, bitten Sie einen Freund oder Kommilitonen um Hilfe. 2. Von derselben Internetseite aus müssen Sie eine Lizenz beantragen, die Ihnen in der Regel innerhalb weniger Minuten zug t wird. Außerdem müssen Sie sie MAC-Adresse ihrer Netzwerkkarte angeben, damit die Lizenz nur auf Ihrem Rechner funktioniert (Sie finden diese unter dem Namen Physikalische Adresse, wenn Sie in der Kommandozeile den Befehl ipconfig /all ausführen).

2 Einführung in die Elektronik 2 3. Installieren Sie zuerst die heruntergeladene 72sp1 quartus free.exe Datei. Bei Setup Type können Sie Custom wählen und durch Abwahl der Unterstützung von ACEX, APEX, APEX 20KE, Cyclone II, FLEX 6000/6000A, MAX 3000, MAX II, Stratix, Stratix II und Stratix III noch etwas Festplattenplatz sparen. 4. Beim ersten Start werden Sie gefragt, ob Sie mit dem Quartus II oder dem MAX+PLUS II Interface arbeiten wollen. Bitte verwenden Sie das ältere aber einfachere MAX+PLUS II Interface. Das sich öffnende Fenster mit dem Quick Start Guide können Sie einfach schließen. 5. Nun werden Sie nach einer Lizenz gefragt. Wählen Sie Specify valid license file und geben Sie das Verzeichnis an, in dem Sie die Lizenzdatei abgelegt haben, die ihnen zug wurde. 6. Anschließend können Sie mit Ihrer Quartus II Version arbeiten. 1.2 Benutzung der Software Die Benutzung der Software soll anhand eines einfachen Beispiels schrittweise erläutert werden. Die Beispielaufgabe besteht aus einem einfachen ODER-Gatter. Wenn also mindestens einer von zwei Tastschaltern gedrückt wird, soll eine LED leuchten. Abbildung 1: Wichtige Schaltflächen in Quartus II 1. Wählen Sie File New Project Wizard und geben Sie ein Arbeitsverzeichnis und als Projektnamen orgate ein (zweimal). Sie sollten in Zukunft jedes Projekt in ein eigenes Verzeichnis speichern. Finish 2. Nun müssen Sie die Hauptprogrammdatei erstellen: File New AHDL File OK 3. Diese tdf Datei (Text Design File) speichern Sie nun unter dem Namen orgate.tdf. 4. Schreiben Sie in die Datei den folgenden Programmcode: SUBDESIGN orgate ( LED Pushbutton[1..0] ) :OUTPUT; :INPUT; BEGIN LED = Pushbutton[1] # Pushbutton[0]; END; 5. Klicken Sie Assignments Device und wählen Sie entweder MAX7000S EPM7128SLC84-7 oder Cyclone EP1C6Q240C8 OK

3 Einführung in die Elektronik 3 6. Starten Sie das Compiler Tool Start 7. Klicken Sie auf Floorplan Editor und doppelklicken Sie auf den erscheinenden Timing Closure Floorplan. Sie sehen nun den Pin Planner mit einer symbolischen Darstellung des Chips mit seinen durchnummerierten Pins. 8. Suchen Sie sich zwei Pins für die Tastschalter, s. Abschnitt 1.9 bzw (z.b. Pins 80 und 81 beim UP1/UP2-Board bzw. Pin 48 und 49 beim UP3 Board), und einen Pin für die LED, s. Abschnitt 1.5 (z.b. Pin 4 beim UP1/UP2-Board bzw. Pin 197 beim UP3-Board). Durch doppelklicken auf den gewünschten Pin kann die ausgesuchte Programmvariable zugewiesen werden. 9. Kompilieren Sie das Programm mit der aktuellen Pinbelegung erneut. 10. Um die Datei zu simulieren, klicken Sie auf Simulator Tool Open. Der Waveform Editor öffnet sich. Klicken Sie in die linke Spalte mit der rechten Maustaste Insert Node or Bus Node Finder List >> OK OK 11. Sie können nun in der linken Spalte für die beiden Eingänge Pushbutton[0] und Pushbutton[1] ein Signal wählen, z.b. rechte Maustaste Value Clock um ein periodisches Ein- und Ausschalten zu simulieren. 12. Schließen Sie das Fenster, speichern Sie die eingegebene Waveform mit Hilfe des sich öffnenden Dialogfensters und klicken sie Start im Simulator Tool. 13. Wenn Sie jetzt wieder auf Open klicken, sehen sie die simulierte Ausgabe inklusive Verschiebungen durch Laufzeiten im Inneren des Chips. 14. Um das Programm auf den Chip zu übertragen, starten Sie den Programmer Hardware Setup, wählen den verwendeten Byteblaster, s. Abschnitt 1.3, und machen ein Häkchen bei Program/Configure Start. 15. Das Programm wird sofort nach der Übertragung auf dem Board gestartet. 16. Wir stellen fest: Das Programm arbeitet wie ein UND Gatter! Der Grund: Die LEDs sind active low, s. Abschnitt 1.4, und die Tastschalter ergeben beim Drücken den logischen Zustand GND, s. Abschnitt 1.9. Man hätte also Ein- und Ausgänge noch invertieren müssen: LED =!(!Pushbutton[1] #!Pushbutton[0]); Nun wollen wir noch die Benutzung von Subdesigns üben. Dazu benutzen wir folgendes Beispiel: Eine LED soll leuchten, wenn mindestens einer von drei Tastschaltern gedrückt wird. Dazu soll (unsinnigerweise) das obige Subdesign verwendet werden. 1. Beginnen Sie ein neues Projekt mit Namen orgate2 und speichern Sie es in eine neues Verzeichnis. 2. Schreiben Sie in die neu angelegte orgate2.tdf: INCLUDE "orgate"; SUBDESIGN orgate2 ( LED :OUTPUT; Pushbutton[2..0] :INPUT; ) VARIABLE myorgate[1..0] :orgate;

4 Einführung in die Elektronik 4 BEGIN myorgate[0].pushbutton[1..0] = Pushbutton[1..0]; myorgate[1].pushbutton[0] = Pushbutton[2]; myorgate[1].pushbutton[1] = myorgate[0].led; LED = myorgate[1].led; END; 3. Kopieren Sie orgate.tdf von vorhin in das orgate2 Verzeichnis und öffnen Sie sie in Quartus. 4. Klicken Sie File Create/Update Create AHDL Include File 5. Klicken Sie Project Add current File to Project 6. Das Subdesign ist fertig eingebunden. Sie können das Projekt jetzt kompilieren, Pins zuweisen, kompilieren und auf das UP-Board programmieren. Um sich weitergehend zu informieren, lesen Sie bitte die beiden pdf-dateien, deren Link Sie in der vom 17.Januar erhalten haben: Die AHDL Kurzanleitung und das erste Kapitel aus dem Buch Rapid Prototyping of Digital Systems von James O. Hamblen und Michael D. Furman vom Georgia Institute of Technology. Außerdem sei auf die entsprechenden Kapitel im Vorlesungsskript und auf die Quartus II Hilfe verwiesen. 1.3 Vorbemerkungen zur Hardware Zur Bearbeitung der AHDL-Übungsaufgaben stehen die Altera-Boards UP1, UP2 und UP3 (University Program) mit unterschiedlichen technischen Spezifikationen zur Verfügung. Die UP1- und UP2-Boards sind mit einem MAX7000S EPM7128SLC84-7 Chip mit 84 Anschlüssen ausgestattet, die UP3-Boards mit einem leistungsfähigeren Cyclone EP1C6Q240C8 Chip mit 240 Pins. Es können aber problemlos alle Übungsaufgaben mit jedem Board durchgeführt werden. Dieselben tdf Design-Dateien funktionieren auf allen Boards, lediglich auf die unterschiedliche Pinbelegung muss Rücksicht genommen werden. Der Compiler erledigt den Rest. Um das Programm vom Rechner auf das Board zu übertragen, wird der sogenannte Byteblaster verwendet, ein Adapter vom Parallelport zum Altera-Board. Für Notebooks ohne Parallelport stehen außerdem vier USB-Byteblaster zur Verfügung, für die allerdings bei der erstmaligen Benutzung ein zusätzlicher Treiber zu installieren ist, der im Unterverzeichnis drivers\usbblaster der Quartus II Software zu finden ist. Zur Ein- und Ausgabe von Daten stehen Tastschalter, DIP-Schalter, LEDs und Sieben-Segment- Anzeigen zur Verfügung, die zum Teil auf Ansteck-Platinen untergebracht sind. Bei den UP1- und UP2- Boards ist es zudem möglich, beliebige Pins des MAX-Chips durch steckbare Kabel mit weiteren Schaltern und LEDs zu verbinden. Eine gute Seite um mehr über die Altera-Boards zu erfahren ist: Technische Details und Beispielprogramme für die UP1/UP2- beziehungsweise UP3-Boards befinden sich auf den Seiten: Sieben-Segment-Anzeigen Bei den UP1- und UP2-Boards befinden sich die Sieben-Segment-Anzeigen fest verdrahtet auf der Hauptplatine, bei den UP3-Boards auf der Erweiterungsplatine. Alle LEDs sind active low, das bedeutet, sie leuchten beim logischen Zustand GND.

5 Einführung in die Elektronik 5 f e a g d b c DP Segment linke 7-Segment-Anzeige rechte 7-Segment-Anzeige a b c d e f g DP LED-Reihen Die LED-Reihe besteht aus 8 roten LEDs und befindet sich auf den Erweiterungsplatinen. Auch hier sind die LEDs active low. LED Nr. Pin Nr DIP-Schalter Zur Eingabe von Daten gibt es zwei Bänke mit jeweils 8 DIP-Schaltern. Die Schalterstellung ON bedeutet dabei den logischen Zustand GND. Schalter Nr. DIP-Bank 1 DIP-Bank Systemuhr und Frequenzeingang Um einen Systemtakt zu erhalten, werden die Pins der internen Systemuhr (Clock) benötigt:

6 Einführung in die Elektronik 6 Clockfrequenz Pin Clockfrequenz Pin Clockfrequenz Pin MHz MHz MHz 29 Außerdem gibt es einen externen Eingang für den Frequenzgenerator. Der Frequenzgenerator ist dabei so einzustellen, dass er weder negative Spannungen noch Spannungen über 5V ausgibt, da sonst der Hauptchip zerstört wird. Vor der Benutzung ist auf jeden Fall ein Betreuer hinzuzuziehen! External Clock Pin Nr Ampelschaltung Für die auf Übungsblatt 10 zu programmierende Ampelschaltung sind 12 bunte LEDs in Form einer Kreuzung mit Ampel angeordnet. Auch hier sind die LEDs active low. Ampel-LEDs Pin Nr. Rot Gelb Grün Rot Gelb Grün Rot Gelb Grün Rot Gelb Grün Besonderheiten der UP1/UP2-Boards Der MAX7000S Chip behält seine Programmierung auch ohne Spannungsversorgung. Beim ersten Einschalten wird also sofort das zuletzt geladene Programm gestartet. Die UP1/UP2-Boards sind mit zwei Tastschaltern (gedrückter Zustand entspricht logisch GND), zusätzlichen 16 LEDs und 16 DIP-Schaltern ausgestattet, die mit Kabeln an freie Pins angesteckt werden können. Freie IO-Pins sind z.b. 4, 6, 8, 9, 36, 80 und Besonderheiten des UP3-Boards Der Cyclone Chip verliert bei jeder Unterbrechung der Spannungsversorgung seine Programmierung. Um das zu verhindern, kann das Programm in einen permanenten Speicher geladen werden, so dass dieses Programm bei jedem Neustart des Systems sofort geladen wird und nicht erst neu vom PC übertragen werden muss. Das nennt man AS (Active Serial) Programmierung im Gegensatz zur normalen

7 Einführung in die Elektronik 7 JTAG (Joint Test Action Group) Programmierung. Deshalb besitzen die UP3-Boards zwei Programmiereingänge (JTAG und AS). Um eine AS Programmierung durchzuführen, muss zunächst unter Assignments Device Device&Pin Options Configuration das Configuration Device EPCS1 gewählt und neu kompiliert werden. Dann wird im Programmer der Mode Active Serial gewählt und mit Add File... die neu erzeugte Programmdatei benutzt. Diese AS Programmierung wird nicht sofort gelöscht und immer bei einem Neustart des Boards verwendet. Führt man jedoch eine normale JTAG Programmierung durch, wird das AS Programm bis zum nächsten Neustart überschrieben. Das UP3-Board besitzt zusätzlich zu den oben aufgezählten Anschlüssen noch folgende fest verdrahtete Elemente links unten auf der Hauptplatine: Vier grüne LEDs, active high, das bedeutet sie leuchten beim logischen Zustand VCC Vier DIP-Schalter, Schalterstellung ON ergibt logisch VCC Vier Tastschalter, gedrückter Zustand entspricht logisch GND grüne LED Nr. Pin Nr. DIP-Schalter Nr. Pin Nr. Tastschalter Nr. Pin Nr