SYMULATOR

UKŁADÓW CYFROWYCH

ACTIVE - CAD

OPIS UKŁADÓW PRZY POMOCY EDYTORA SCHEMATÓW

Opracował

dr inż. Piotr Kawalec

Warszawa, 2000 rok

SPIS TREŚCI

str.

1. WSTĘP 3

2. TWORZENIE SCHEMATÓW IDEOWYCH UKŁADÓW 3

1. Uruchamianie programu 3

2. Rysowanie układów logicznych 5

3. Rysowanie połączeń między elementami 7

4. Usuwanie zbędnych elementów i połączeń 8

3. SYMULACJA DZIAŁANIA UKŁADU 9

1. Oznaczanie obserwowanych miejsc 9

2. Generowanie wektorów testowych 10

3. Przebieg symulacji 12

4. DRUKOWANIE SCHEMATÓW I WYNIKÓW SYMULACJI 14

1. Drukowanie schematów 14

2. Drukowanie wyników symulacji 14

1. WSTĘP

ACTIVE - CAD firmy ALDEC jest pakietem umożliwiającym projektowanie układów cyfrowych oraz symulację ich działania zarówno w trybie funkcjonalnym, pozwalającym na badanie zależności logicznych, jak i w trybie czasowym, umożliwiającym uwzględnienie czasów propagacji sygnałów w poszczególnych elementach logicznych. Program ten pozwala stosować następujące sposoby specyfikacji projektowanych układów:

• przy pomocy edytora schematów (Schematic Capture), umożliwiającego tworzenie schematów ideowych budowanych układów;

• przy pomocy grafów przejść automatów skończonych FSM (Finite State Machine );

• przy użyciu języka opisu sprzętu VHDL.

W I części instrukcji użytkowania symulatora przedstawione zostaną zasady projektowania i weryfikacji układów cyfrowych z wykorzystaniem edytora schematów, pozwalającym na analizę i syntezę układów cyfrowych ze standardowych układów scalonych. Przy pomocy edytora schematów, z wykorzystaniem zawartych w pakiecie bibliotek układów scalonych, będzie tworzony schemat ideowy projektowanego układu. Schematy ideowe do chwili obecnej są powszechnie stosowanym sposobem specyfikacji prostych układów cyfrowych i są podstawą do sprzętowej realizacji układów na stanowiskach montażowych, z elementów zadanej rodziny układów scalonych.

2. TWORZENIE SCHEMATÓW IDEOWYCH UKŁADÓW.

2.1. Uruchamianie programu.

Program działa w środowisku WINDOWS, należy więc uruchomić komputer w tym trybie i wywołać aplikację ACTIVE-CAD 2.5, co spowoduje zgłoszenie się programu Project Manager.

Rys. 2.1. Otwieranie nowego projektu.

Nowy projekt tworzymy poleceniem New Project z pliku File (rys.2.1.), albo przyciskiem na pasku narzędzi. Nazwa projektu może zawierać do 8 znaków i powinna zawierać oznaczenie grupy i numer zespołu laboratoryjnego. Tworzony projekt musi być typu generic (rys. 2.2).

Rys.2.2. Wprowadzanie nazwy nowego projektu.

Istniejący projekt uruchamiamy poleceniem Open Project z pliku File (rys.2.1.), lub przyciskiem na pasku narzędzi.

Następnie do projektu należy dołączyć bibliotekę (lub biblioteki) elementów, jakie będą wykorzystywane w czasie budowy zadanego układu cyfrowego. Biblioteki wywołuje się poleceniem Project Libraries z pliku File (rys. 2.3.), lub przyciskiem

Rys. 2.3. Wybieranie bibliotek

W przypadku posiadania pełnej biblioteki układów TTL wybieramy bibliotekę ttl, natomiast w wersji tylko Starter Kit'a - bibliotekę testlib (rys. 2.4)

Rys. 2.4. Dołączanie biblioteki do projektu.

Po zaznaczeniu biblioteki (bibliotek) w lewym oknie dołączamy ją podwójnym kliknięciem, albo poleceniem Add do projektu o nazwie podanej w prawym oknie. Po wykonaniu tych czynności zamykamy to okno i wywołujemy edytor schematów Schematic Capture klikając blok Schematic na schemacie blokowym w programie Project Manager (rys. 2.3.).

Po uruchomieniu edytora schematów otrzymamy na ekranie pole na którym będzie tworzony schemat ideowy projektowanego układu, z umieszczonymi na jego obramowaniu paskami narzędzi. Funkcje realizowane po wybraniu podstawowych przycisków zostały opisane na ekranie edytora schematów ( rys. 2.5.).

Rys. 2.5. Ekran edytora schematów

2.2. Rozmieszczanie układów logicznych.

Rozmieszczanie układów logicznych odbywa się na ekranie edytora schematów po wywołaniu funkcji rysowania układów logicznych przyciskiem (rys.2.5.). Wywołanie tej funkcji powoduje wyświetlenie okna SC Symbols zawierającego listę elementów, wraz z ich funkcjami. Z listy elementów należy wybrać serię 74xxxx , przewijając listę lub wpisując oznaczenie serii w najniższe pole okna SC Symbols (rys. 2.6.).

Brak listy elementów w oknie SC Symbols oznacza, że do projektu nie dołączono żadnej biblioteki. Operację dołączania bibliotek można zrealizować dodatkowo z edytora schematu poleceniem Project Libraries z pliku File (rys. 2.3.) analogicznie jak opisano to powyżej, albo wywołując funkcję dołączania bibliotek

przyciskiem z okna SC Symbols (rys. 2.6.).

Rys. 2. 6. Przeznaczenie poszczególnych pól i przycisków w oknie SC Symbols.

Po wybraniu konkretnego elementu można go przenieść w odpowiednie miejsce ekranu i pozostawić (rys. 2.7.) Element można powielać klikając na nim i przemieszczając kolejny pojawiający się element do miejsca przeznaczenia. Bramki i układy innego rodzaju pobiera się w analogiczny sposób z listy elementów.

Rys. 2. 7. Ekran rozmieszczania elementów

Po rozmieszczeniu wszystkich elementów projektowanego układu (na rys. 2.7. pokazano przykładowe rozmieszczenie bramek NAND oraz bramek NOT ), można zamknąć okno SC Symbols dwukrotnym kliknięciem znacznika okna. Zmieniając przyciskiem
skalę rysunku, możemy sprawdzić, w chwili pojawienia się ramki z tabliczką, położenie projektowanego układu na arkuszu wydruku.

2.3. Rysowanie połączeń między elementami.

Między elementami możliwe są połączenia przy pomocy pojedynczych linii lub magistrali, a więc w zależności od rodzaju połączenia należy wybrać odpowiednio przycisk albo w edytorze schematów. Po wybraniu sposobu łączenia na ekranie pojawia się pióro umożliwiające rysowanie połączeń. Kliknięciem przyciskiem myszy rozpoczynamy rysowanie linii lub magistrali, a kończymy ponownym kliknięciem myszki ( na rys 2.8. pokazano przykładowe połączenie pojedynczymi liniami między bramkami logicznymi).

Rys. 2.8. Rysowanie połączeń między bramkami logicznymi.

Po wykonaniu wszystkich połączeń należy zdefiniować wejścia i wyjścia dla projektowanego układu korzystając z przycisku na pasku narzędzi . Wciśnięcie przycisku wywołuje okno I/O Terminal (rys 2.9.) do której należy wpisać nazwę wyprowadzenia oraz jego rodzaj i po zamknięciu okna umieścić to wyprowadzenie na ekranie, łącząc je z elementem lub odpowiednią linią połączeń.

Uwaga: Jeśli sygnał podawany jest na wejścia kilku elementów równocześnie, to należy wyprowadzenie tego sygnału dołączyć do linii połączeń między elementami, zapewni to pewne podanie sygnału na wejścia wszystkich elementów.

Rys.2.9. Definiowanie wejść i wyjść układu.

2.4. Usuwanie zbędnych elementów i połączeń, oraz przeciąganie elementów na schemacie.

W celu usunięcia zbędnych elementów i połączeń, bądź umożliwienia przeciągania elementów lub połączeń na schemacie należy przyciskiem wybrać zaznaczanie elementów i połączeń, a następnie kliknąć element lub połączenie. Zaznaczony element znajdzie się w ramce (rys. 2.10.) i wówczas, poleceniem Delete z klawiatury, usunąć go, lub kliknąć i trzymając wciśnięty przycisk myszki, przeciągnąć w inne miejsce na ekranie. Równocześnie zostaną usunięte albo przeciągnięte połączenia związane z danym elementem. Zaznaczona kliknięciem linia lub magistrala połączenia, zostaje wyróżniona (zmienia kolor na czerwony) i może zostać usunięta lub przemieszczona analogicznie jak w przypadku elementu.

Rys. 2.10. Usuwanie lub przeciąganie elementów.

3. SYMULACJA DZIAŁANIA UKŁADU

3.1. Oznaczanie obserwowanych miejsc symulacji

Dla sprawdzenia poprawności syntezy układu, oraz zbadania występujących w nim zależności czasowych, należy przeprowadzić symulację działania zaprojektowanego układu przedstawionego w postaci schematu ideowego w edytorze schematów. W tym celu należy na schemacie zaznaczyć te wyprowadzenia elementów, których stany chcemy obserwować. Zwykle będą to sygnały wejściowe i wyjściowe, oraz charakterystyczne punkty wewnątrz układu. Proces oznaczania uruchamiany jest przyciskiem na pasku narzędzi, co powoduje wywołanie okna SC Probes (rys. 3.1), umożliwiającego wybór rodzaju funkcji związanych z symulacją.

Rys.3.1. Zaznaczanie punktów symulacji.

Dla zaznaczenia na schemacie pojedynczego punktu symulacji należy na niego naprowadzić myszką znacznik i kliknąć . Potwierdzeniem zaznaczenia jest pojawienie się szarego kwadratu obok wyprowadzenia. Jeśli chcemy do symulacji zaznaczać kilka wyprowadzeń elementu, można kliknąć ten element i z rozwiniętej listy wyprowadzeń (pinów) elementu wybrać te, które chcemy zaznaczyć do symulacji, a następnie dołączyć je poleceniem Add. Zaznaczenie będzie również potwierdzone szarym kwadratem. Okno SC Probes umożliwia również: usuwanie zaznaczenia wszystkich punktów symulacji, uruchamianie symulacji, wykonanie kroku symulacji, przejście lub cofnięcie się do kolejnych zdarzeń, oraz zapamiętywanie przebiegów symulacji ( rys. 3.1).

3.2. Generowanie wektorów testowych (wymuszeń) do procesu symulacji

Po oznakowaniu wszystkich punktów obserwowanych w trakcie symulacji, należy uruchomić proces symulacji przyciskiem z paska narzędzi edytora schematów lub identycznym przyciskiem z okna SC Probes (rys. 3.1). Efektem tego będzie wyświetlenie ekranu symulatora Logic Simulator umożliwiającego zadanie wartości zmiennych wejściowych do procesu symulacji (rys.3.2), oraz odwzorowanie stanu wszystkich zaznaczonych punktów symulacji w postaci przebiegów czasowych Waveform Viewer.

Rys. 3.2. Ekran symulatora logicznego.

Ekran symulatora logicznego ma pięć kolumn, w których zawarte są dane dotyczące składowych wektorów testujących, przy czym kolejne kolumny powinny zawierać:

1. rodzaj wyprowadzenia wejście lub wyjście ( i/o) - oznaczenie to automatycznie ustawia program;

1. opis punktów symulacji - wprowadzane jest automatycznie przez program na podstawie oznaczeń ze schematu ideowego;

2. oznaczenie zmiennych - wprowadzane z klawiatury (rys. 3.3) w trakcie generowania wektorów testowych - tylko dla wyprowadzeń typu (i) ! ;

3. wartość logiczną sygnałów - poziom niski lub wysoki (L lub H) zmieniany w trakcie procesu symulacji;

4. przebiegi czasowe uzyskane w procesie symulacji dla każdego z oznaczonych punktów obserwacji.

Generowanie wektorów testowych polega na zdefiniowaniu wartości zmiennych wejściowych w następujący sposób:

• 
  
  
  wywołać przyciskiem , lub poleceniem Signal - Add Stimulators (rys. 3.2) okno Stimulator Selection zawierające klawiaturę (rys.3.3), umożliwiającą oznaczenie zmiennych;

Rys. 3.3. Funkcje wybierane przy pomocy klawiatury.

• podświetlić pierwszy wiersz w polu opisu punktów symulacji odpowiadający sygnałowi wejściowemu;

• z klawiatury wybrać dowolną literę, będzie ona pomocniczą zmienną logiczną generującą sygnał wejściowy, równocześnie w kolejnej kolumnie pojawi się linia odpowiadająca temu sygnałowi

• zmiany wartości sygnału wejściowego można dokonać z klawiatury wciskając klawisz odpowiadający wybranej literze, albo klikając odpowiednią linię w polu zmiany sygnału;

• czynności te powtórzyć dla wszystkich sygnałów wejściowych;

• jeśli na jakieś wejście chcemy podać sygnały z generatora, ( np. zegarowe), należy po podświetleniu odpowiadającego mu wiersza, wybrać sygnał zegarowy w odpowiedniej fazie i częstotliwości ( rys. 3.3) przy czym;

- sygnał z górnego paska (czerwonego) rozpoczyna się poziomem H, natomiast z dolnego - poziomem L;

- liczby podane przy paskach stanowią wykładnik potęgi 2^k , przez którą jest dzielona częstotliwość podstawowa;

• po wygenerowaniu wszystkich sygnałów wejściowych należy klawiaturę zamknąć.

3.3. Przebieg symulacji.

Jeśli składowe wektora testowego zostały wygenerowane dla wszystkich wejść można przystąpić do symulacji działania projektowanego układu wykorzystując okienko narzędziowe Simulator (rys. 3.4.).

Rys.3.4. Wybór funkcji symulacji w ACTIVE-CAD 2.5.

Przed rozpoczęciem symulacji możliwe jest ustawienie (rys.3.3 oraz rys.3.4) następujących parametrów symulacji (w nawiasach zalecane ustawienia):

• parametr skali czasu; ( 5 ns/dz.) ;

• załączenie / wyłączenie wyświetlania skali czasu ( skala załączona) ;

• tryb symulacji - symulacja funkcjonalna FN oraz symulacja czasowa TN - uwzględniająca czasy propagacji elementów (należy badać układy w obu trybach symulacji);

• rodzaj odwzorowania - przebiegi w funkcji czasu, zdarzeń, wykrywania błędów, pułapek itd. ( Tag )

Uruchamianie symulacji i wybór rodzaju symulacji ( mały lub duży krok przebiegu symulacji) wybierany jest przyciskami Step lub Long (rys. 3.4). Należy wybierać symulację o krótkim kroku Step. Na rys.3.4 pokazano przebiegi symulacji funkcjonalnej i czasowej układu, którego schemat przedstawiono na rys. 3.1.

W pakiecie ACTIVE-CAD 3.0 zmieniono wygląd ekranu symulatora przenosząc funkcje okienka narzędziowego Simulator na pasek narzędzi z pewną modyfikacją oznaczeń (rys. 3.5).

Rys. 3.5. Ekran symulatora w pakiecie ACTIVE-CAD 3.0.

W dowolnym miejscu przebiegów czasowych można, klikając lewym przyciskiem myszki umieścić znacznik w postaci niebieskiej linii. Klikając prawym przyciskiem myszki na znaczniku rozwijane jest menu podręczne widoczne na rys. 3.5. W każdym z pakietów przebiegi czasowe mogą być usuwane z menu podręcznego lub przy użyciu poleceń Waveform - Delete - All Waveform with Power on. Natomiast usunięcie wszystkich oznaczeń i przebiegów czasowych jest możliwe poleceniami Signal - Delete - All Waveforms z opcjami podanymi w menu podręcznym (rys.3.5.).

W trakcie symulacji możliwe jest przełączenie się do edytora schematów przyciskiem i obserwacja procesu symulacji na schemacie układu. Na schemacie, w kwadratach związanych z zaznaczonymi wyprowadzeniami, można obserwować stany logiczne w kolejnych krokach symulacji (rys. 3.6.). Taka możliwość obserwowania wyników symulacji ułatwia analizę poprawności działania
układu, szczególnie w przypadkach wykorzystywania wymuszeń zegarowych. Kolejne kroki symulacji uruchamia się przyciskiem Step w oknie SC Probes (rys. 3.6).

Rys. 3.6. Odwzorowanie procesu symulacji na schemacie układu.

4. DRUKOWANIE SCHEMATÓW I WYNIKÓW SYMULACJI

4.1. Drukowanie schematów.

Drukowanie schematów odbywa się z ekranu edycji schematów Schematic Capture ( rys. 2.5) poleceniem File - Print. Należy jednak wcześniej upewnić się o prawidłowym dobraniu skali rysunku do wymiarów papieru. W tym celu po sprawdzeniu wymiaru papieru w opcjach Printer Setup, ( dla dużych schematów zalecany jest wydruk w formacie A3), , należy przejść do Page Setup i po wybraniu wymiaru rysunku z Sheet Format , wrócić do schematu sprawdzając przyciskiem skali rysunku rozmieszczenie schematu w ramkach arkusza wydruku.

Przed drukowaniem schematu można zaktualizować dane w tabelce opisu układu funkcją File - Table Setup.

4.2. Drukowanie wyników symulacji.

Drukowanie wykresów czasowych symulacji odbywa się z ekranu wyników symulacji Logic Simulator ( rys. 3.2) poleceniem File - Print. Należy jednak wcześniej sprawdzić w Page Setup czy ustawiony w Print Options zakres wydruku odpowiada zakresowi otrzymanych przebiegów symulacji. W opcji From możliwy jest wybór zakresu wydruku od -do w pikosekundach, nanosekundach, mikrosekundach i milisekundach.

Piotr Kawalec - Symulator układów cyfrowych ACTIVE-CAD

- 14 -

Rysowanie
układów

Rysowanie
linii połączeń

Zaznaczanie

elementów

lub połączeń

Rysowanie
magistral

Definiowanie
wejść i wyjść
układu

Skalowanie
schematu

Zaznaczanie
punktów
obserwacji

Uruchamianie
symulacji

Dołączanie
i zmiana bibliotek

Filtr
rodzaju
elementów

Definiowanie
wejść i wyjść

układu

Uaktywnienie listy
elementów

Lista
elementów

Pole
opisu
elementu

Pole wpisu
rodzaju
elementu

Element zaznaczony do usunięcia lub przeciągania

Podawanie
wymuszeń

Zaznaczanie punktów symulacji

Wywołanie klawiatury

Przejście
do kolejnego zdarzenia

Kolejny krok symulacji

Uruchamianie symulacji

Usuwanie punktów symulacji

Zapis przebiegów symulacji

Opis układu scalonego

Usuwanie przebiegów symulacji

Oznaczenie rodzaju wyprowadzenia

Skala
czasu

Gaszenie skali czasu

Pole opisu punktów symulacji

Pole zmiany sygnałów

Wybór zegara

Wybór częstotliwości
i fazy zegara

Oznaczanie sygnałów wejściowych

Kasowanie oznaczeń sygnałów wejściowych

Symulacja funkcjonalna

Symulacja czasowa

Rodzaj odwzorowania

Przebiegi czasowe symulacji

Poruszanie się po przebiegach czasowych

Załączanie zasilania

Zatrzymanie symulacji

Tryb symulacji

FN - funkcjonalna

TN - czasowa

Przejście do edytora schematów

Symulacja
z krótkim krokiem

Symulacja
z długim krokiem

Pole rodzaju odwzorowania

Pole trybu symulacji

---