CID Aplicatii 4

Memoria ROM–Introducere

Memoria ROM(Read-Only Memory) este un circuit combinational folosit pentru stocarea unor date ce pot fi accesate cu ajutorul unei intrari de adrese. Asa cum se intelege si din nume, memoria ROM, in general, nu poate fi modificata.

Pentru a intelege termenul de memorie, putem face urmatorul exercitiu de imaginatie: sa ne gandim la un dulap cu mai multe sertare. Continutul memoriei este reprezentat de continutul sertarelor, iar adresele sunt reprezentate de etichetele lipite pe aceste sertare, pentru a le identifica. Daca avem nevoie de continutul unui sertar, va trebui sa stim eticheta aferenta acestuia.

Am intalnit memoria ROM in aplicatiile anterioare, atunci cand am vorbit despre structura unui FPGA. Am vazut atunci ca functiile logice erau implementate pe FPGA prin intermediul unor LUT-uri (memorii ROM), care stocau iesirile corespunzatoare unor combinatii de intrari. Asadar, in cazul acela, adresele erau reprezentate de combinatii ale intrarilor, iar continutul memoriei era reprezentat de iesirile aferente acestor combinatii.

O memorie ROM are urmatorii parametri: numarul de biti ai adresei, care este legat de numarul de locatii de memorie (cu n biti de adresa putem forma 2^𝑛 combinatii diferite, deci putem accesa maxim 2^𝑛 locatii de memorie) si dimensiunea locatiei de memorie, care ne spune cat de multa informatie poate stoca o locatie de memorie.

Sa urmarim exemplul din figura urmatoare:

Aici, adresa are dimensiunea de 4 biti, asadar putem accesa cu aceasta 16 locatii diferite de memorie. Dimensiunea fiecarei locatii este de 8 biti, asadar fiecare locatie de memorie poate stoca numere de 8 biti. Spunem ca memoria ROM este o memorie 4x8. Capacitatea acestei memorii este de 16 x 8 biti = 128 biti.

Exemplul 1

Scop: Descrierea comportamentala a unui decodor, testarea acestuia prin simulare si sinteza pe FPGA.

Decodorul este circuitul care, pentru o anumita valoare a intrarii, va genera la iesire un sir binar care contine 1 pe pozitia cu indicele egal cu valorea intrarii si 0 in rest. De exemplu, decodorul de mai jos pe 2 biti, va avea urmatoarea corespondenta intrare-iesire:

in	out
2'b00	4'b0001
2'b01	4'b0010
2'b10	4'b0100
2'b11	4'b1000

Vom implementa acest circuit ca memorie ROM.

Implementarea Verilog a circuitului

module Decoder(
  input [1:0] in,
  output reg [3:0] out
  );

  always@(in) begin
    case(in)
      2'b00: out = 4'b0001;
      2'b01: out = 4'b0010;
      2'b10: out = 4'b0100;
      2'b11: out = 4'b1000;
      default: out = 4'b0000;
    endcase
  end

endmodule

Implementarea Verilog a modulului de test

`timescale 1ns/1ps

module Decoder_TB();
  reg [1:0] in_t;
  wire [3:0] out_t;
  
  integer idx;

  initial begin
    for(idx=0; idx<4; idx = idx + 1) begin
      in_t = idx;
      #1;
    end 
    #2 $stop();
  end

  Decoder DUT(
    .in(in_t),
    .out(out_t)
  );

endmodule

Observatii:

• Circuitul Decoder va avea o intrare pe 2 biti, care va reprezenta adresa memoriei ROM si o iesire pe 4 biti, reprezentand continuturile memoriei ROM corespunzatoare fiecarei combinatii de la intrare.
• Chiar daca in interiorul instructiunii case se acopera toate cazurile posibile (toate combinatiile de 2 biti), este bine sa punem si un default pentru a evita inserarea in locul circuitului combinational dorit (aici, memoria ROM) a unui latch.

Implementarea pe FPGA:

• Implementarea pe FPGA are ca tinta doar modulul in sine (Decoder), modulul de test (Decoder_TB) fiind nesintetizabil.
• Semnalele de intrare vor fi legate la dispozitive care comanda stari, iar iesirile la dispozitive care observa stari. Asadar, vom alege aici comutatoare pentru intrari (cate un comutator pentru fiecare bi tal fiecarei intrari –2 in total) si 4 LED-uri pentru iesiri.

Semnal	Dispozitiv	PIN
in[0]	SW0	AB12
in[1]	SW1	AC12
out[0]	LEDR0	V16
out[1]	LEDR1	W16
out[2]	LEDR2	V17
out[3]	LEDR3	V18

Exemplul 2

Scop: Implementarea unui circuit de afisare a sumei dintre doua numere pe 2 biti, folosind afisajul cu 7 segmente

Implementarea Verilog amodululuiAdder2b

module Adder2b(
  input [1:0] in0,
  input [1:0] in1,
  output reg [2:0] sum
  );

  always@(*) begin
    sum = in0 + in1;
  end 

endmodule

Observatii:

• Suma a doua numere pe n biti este un numar pe n+1 biti, cel de-al n+1 -ulea fiind bitul de carry. De aceea, aici suma a doua numere pe 2 biti va fi un numar pe 3 biti.
• Aici consideram un sumator simplu, pentru care carry este inglobat in suma (nu este explicit un port separat).

Implementarea Verilog a modululuiAfisaj7Seg

Inainte de a prezenta codul Verilog, trebuie sa intelegem cum functioneaza afisajul cu 7 segmente. Acest dispozitiv de afisare este format, asa cum sugereaza si numele, din 7 segmente ce pot fi controlate separat. Putem aprinde sau stinge fiecare segment controland tensiunea aplicata pe acesta. Pentru acest afisaj, comanda este negativa: aplicand 0 logic pe un segment acesta se va aprinde, iar aplicand 1 logic, acesta se va stinge. Structura unui afisaj cu 7 segmente este prezentata in imaginea de mai jos:

Pentru a reprezenta, de exemplu, cele 16 numere hexa, segmentele trebuie aprinse conform Anexei 1.

In cazul circuitului nostru, vom vrea sa afisam numerele de la 0 la 6, deoarece suma maxima ce poate fi obtinuta este 6. Pentru aceasta, implementam o memorie ROM care va contine codurile de aprins-stins pentru fiecare segment, fiind accesate pe baza numarului pe care dorim sa il afisam. Asadar, intrarea memoriei ROM (adresa) va fi pe 3 biti (3 biti sunt de ajuns pentru a reprezenta numerele de la 0 la 6), iar iesirea va fi pe 7 biti, cate un bit de stare pentru fiecare segment. Vom considera, asadar, ca bitul 0 al iesirii se va lega la segmentul 0, bitul 1 la segmentul 1 si tot asa.

De exemplu, daca la intrare vom avea 0, memoria ROM va trebui sa dea la iesire sirul 1000000, stingand segmentul 6 si aprinzandu-le pe toate celelalte. Extinzand pentru toate numerele de la 0 la 7, obtinem:

Numar	Sir de afisare
0	7'b100_0000
1	7'b111_1001
2	7'b010_0100
3	7'b011_0000
4	7'b001_1001
5	7'b001_0010
6	7'b000_0010

Implementarea Verilog a modululuiDisplay7Seg

module Display7Seg(
  input [2:0] in,
  output reg [6:0] out
  );

  always@(in) begin
    case(in)
      3'd0: out = 7'b1000000;
      3'd1: out = 7'b1111001;
      3'd2: out = 7'b0100100;
      3'd3: out = 7'b0110000;
      3'd4: out = 7'b0011001;
      3'd5: out = 7'b0010010;
      3'd6: out = 7'b0000010;
      default: out = 7'b0000110;
    endcase 
  end

endmodule

Implementarea Verilog a circuitului AddAndDisplay

module AddAndDisplay(
  input [1:0] in0,
  input [1:0] in1,
  output [6:0] displayCode
  );

  wire [2:0] sum;

  Adder2b ADD (
    .in0(in0),
    .in1(in1),
    .sum(sum)
  );

  Display7Seg DISPLAY(
    .in(sum),
    .out(displayCode)
  );

endmodule

Implementarea Verilog a modulului de test

module AddAndDisplay_TB();

  reg [1:0] in0_t, in1_t;
  wire [6:0] displayCode_t;

  integer idx, jdx;

  initial begin
    for(idx=0; idx<4; idx = idx + 1) begin
      for(jdx=0; jdx<4; jdx = jdx + 1) begin
        in0_t = idx;
        in1_t = jdx;
        #1;
      end 
    end
    #2 $stop();
  end

  AddAndDisplay DUT(
    .in0(in0_t),
    .in1(in1_t),
    .displayCode(displayCode_t)
  );  

endmodule

Implementarea pe FPGA:

Implementarea pe FPGA are ca tinta doar modulul in sine (AddAndDisplay), modulul de test (AddAndDisplay_TB) fiind nesintetizabil.

Conform indicatiilor din Introducere, semnalele de intrare vor fi legate la dispozitive care comanda stari, iar iesirile la dispozitive care observa stari. Asadar, vom alege aici comutatoare pentru intrari (cate un comutator pentru fiecare bit al fiecarei intrari –4 in total) si afisajul cu 7 segmente Digit 0 pentru iesire.

Semnal	Dispozitiv	PIN
in[0]	SW0	AB12
in[1]	SW1	AC12
in[2]	SW2	AF9
in[3]	SW3	AF10
out[0]	HEX0[0]	AE26
out[1]	HEX0[1]	AE27
out[2]	HEX0[2]	AE28
out[3]	HEX0[3]	AG27
out[4]	HEX0[4]	AF28
out[5]	HEX0[5]	AG28
out[6]	HEX0[6]	AH28

Anexa1