UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA
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- Margherita Costantini
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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA INFORMATICA Progetto di Sistemi Embedded A.A. 2006/07 Implementazione in VHDL e successivo mapping su board FPGA Xilinx Spartan-3E 500 Starter kit di un sistema interattivo basato sull'input da pulsanti e l'output sul display LCD Docente: Prof. V. Catania Studente: Giuseppe Cataudella
2 Indice 1 ANALISI DEL PROGETTO SCHEMA A BLOCCHI DEL SISTEMA I PULSANTI IL ROTARY SWITCH LA MACCHINA A STATI PRINCIPALE START mode MENU mode SETTING_VOL mode GAME mode IL DISPLAY LCD IL MODULO LCD LA MACCHINA A STATI LCD RESET mode DATA mode SET_DDRAM mode ULTERIORI CONSIDERAZIONI VERIFICHE SPERIMENTALI E CONSIDERAZIONI FINALI LINKS E BIBLIOGRAFIA
3 1 Analisi del progetto Il progetto che è stato realizzato, si è basato nel realizzare un blocchetto di interfaccia tra il modulo di ingresso rappresentato dai 5 pulsanti ed il display LCD come output grafico presenti sulla board. Il tutto è stato implementato su una development board FPGA Xilinx Spartan-3E 500 (vedi Fig. 1); Fig. 1 Scheda Spartan-3E 500 Starter Kit Quindi, sfruttando le caratteristiche del display alfanumerico a due righe, di 16 caratteri ciascuna, di un rotary push button e di alcuni pulsanti, è stato possibile implementare un videogame chiamato Spartan Game. 2
4 È stato quindi necessario realizzare un modulo per la generazione dei segnali di controllo del display e una macchina a stati principale per stabilire cosa visualizzare sullo schermo e come reagire alla pressione dei vari pulsanti. 2 Schema a blocchi del sistema Il progetto si divide principalmente in due blocchi, il blocco principale che gestisce le funzioni del gioco, ed un blocco ausiliario che costituisce l interfaccia tra la logica e il display LCD. Macchina a Stati principale Modulo LCD Livello Logico Pulsanti e Rotary Switch Display LCD Livello Fisico Livello Fisico Fig 2 Schema a blocchi dell interfaccia realizzata 3
5 3 - I pulsanti Fig. 3 I pulsanti e lo switch sulla board Fig. 4 Schema elettrico del singolo pulsante I pulsanti sono semplici dispositivi che cortocircuitano l alimentazione con un determinato pin di I/O della scheda FPGA. È quindi sufficiente leggere il valore ad ogni ciclo di clock, e, qualora si sia verificata una transizione 0=>1 (ovvero si sia verificato un fronte di salita) si possono eseguire determinate operazioni. Tali processi (uno per ciascun pulsante), dopo aver sincronizzato il valore letto sul pin della FPGA con il segnale di clock, si attivano al riconoscimento di una transizione 0=>1, attendono un tempo determinato (nel codice in questione 4ms) e verificano che al termine di tale intervallo di tempo il valore del pin sia ancora forzato ad 1. Se queste condizioni sono verificate, il processo che ha rilevato la transizione genera un impulso della durata di un ciclo di clock, che sarà un segnale di controllo della macchina a stati principale. 4
6 4 - Il rotary switch Fig. 5 Schema elettrico del rotary switch Fig. 6 Schema elettrico del pulsante centrale Questo dispositivo permette di discriminare il senso di rotazione a seconda delle transizioni dei due segnali A e B. Ad esempio, un fronte di salita di B quando A è basso è da interpretare come una rotazione in senso orario, analogamente è possibile riconoscere una rotazione in senso anti-orario. Una nota del datasheet informa sulla necessità di filtrare i segnali, siccome il rumore meccanico potrebbe portare a riconoscere false rotazioni. Questo codice consta di due processi separati che permettono di ignorare le transizioni successive al fronte di salita dei due segnali A e B. Il primo processo ha il compito di rilevare le transizioni, mentre il secondo genera un impulso della durata di un ciclo di clock quando si è verificato un cambiamento sul pulsante rotante. 5
7 4.1 - La macchina a stati principale Sono previste quattro modalità di funzionamento principali: START, MENU, SETTING_VOL, e GAME START mode Viene visualizzato uno messaggio iniziale con la scritta Welcome in Spartan Game. Il sistema rimane in questo stato fino alla pressione del pulsante ENTER MENU mode In questa modalità è possibile selezionare il livello di difficoltà di gioco desiderato (tra Easy, Normal o Hard ) agendo sulla rotazione del rotary switch, oppure ritornare alla schermata iniziale attraverso la pressione del pulsante UP. Una volta selezionato il livello di difficoltà, attraverso la pressione del tasto ENTER, si passerà allo stato successivo (SETTING_VOL mode) SETTING_VOL mode In questa modalità, agendo sul rotary switch è possibile aumentare o diminuire il livello dell audio desiderato per il gioco (da +0 a +9 db), oppure ritornare alla schermata iniziale attraverso in pulsante UP. Una volta selezionato il livello di audio desiderato, premendo il tasto ENTER si passerà all ultimo stato (GAME mode) GAME mode Quest ultimo stato rappresenta lo stato di gioco vero e proprio, dove, agendo sui pulsanti LEFT, RIGHT, UP e DOWN è possibile simulare il gioco. A causa di 6
8 limitata visualizzazione del display, è stato possibile visualizzare soltanto le direzioni corrispondenti ad ogni singolo tasto premuto. Bisogna notare che, in questa modalità, il pulsante UP assume una funzionalità diversa: anziché eseguire l azione di ritorno alla modalità START mode, permetterà di visualizzare sul display la scritta Up. Successivamente, premendo il pulsante centrale, si ritornerà allo stato iniziale (cioè START mode). 5 - Il display LCD Nella scheda, il display è collegato alla FPGA tramite un bus dati a 4 bit e tre segnali di controllo (vedi Fig 7). Fig. 7 Schema delle connessioni tra il display LCD e la FPGA Il display è dotato di un controllore che si occupa di trasferire sullo schermo il contenuto della propria RAM (accessibile tramite opportune combinazioni dei segnali di ingresso). La gestione dell immagine è totalmente trasparente (il controllore genera il clock e gestisce il refresh), quindi la visualizzazione di determinati caratteri si riduce alla generazione di apposite forme d onda dei segnali di controllo per poter scrivere nella RAM del controllore del display. Il controllore è dotato di una ROM, contenente un set di caratteri predefinito. 7
9 Il progettista deve quindi inserire nella RAM il codice corrispondente alla lettera da visualizzare, mentre l accensione dei singoli pixel del carattere sarà controllata in maniera automatica. Figura 8 - Segnali di controllo del display La codifica dei caratteri è ASCII standard, quindi per visualizzare un determinato carattere è sufficiente scrivere in un apposito indirizzo della RAM del controllore, il codice ASCII corrispondente del carattere. I segnali da generare sono tabulati nel datasheet. Dalla figura 8, si può notare come il bus dati indicato nel datasheet sia di 8 bit, mentre il bus uscente dalla FPGA è solamente 4 bit (figura 7). Questo perché il controllore del display permette una modalità di indirizzamento a 4 bit, in cui vengono inviati in sequenza il nibble superiore e quello inferiore. 8
10 5.1 - Il modulo LCD Il modulo LCD è costituito da due processi: 1) la macchina a stati che si occupa di generare le sequenze dei segnali di controllo per trasferire il contenuto di una RAM locale al controllore del display; 2) l interfaccia al modulo che permette ad altri blocchi di modificare il contenuto della RAM; dalla macchina a stati principale lcd_module RAM Locale Macchina a stati LCD Al display LCD Figura 9 - Schema a blocchi del modulo LCD La RAM (di 32 byte) è gestita tramite un segnale di enable, un bus dati ad 8 bit, ed un bus indirizzi a 5 bit. 9
11 5.2 - La macchina a stati LCD La macchina a stati del modulo LCD prevede tre modalità di funzionamento: RESET, DATA, e SET_DDRAM RESET mode Rappresenta lo stato di reset, e si occupa di effettuare l inizializzazione del display prima dell accesso in scrittura. La prima sequenza di operazioni da eseguire è indicata nella figura 10 prelevata dal datasheet: Figura 10 - Pagina del datasheet relativa all inizializzazione del display Successivamente si eseguono le funzioni: - Function set: viene impostato l indirizzamento (a 4 bit), il font ed il numero di linee; nel datasheet della Development Board viene indicato che l unico modo supportato è 0x28. 10
12 - Entry mode set: è abilitato l auto-incremento del puntatore alla RAM dopo la scrittura. - Display on/off: il display viene acceso ed è disabilitato il blinking del cursore. - Clear Display: il cursore è posizionato all inizio della memoria, la quale è preventivamente inizializzata al valore di default (il carattere 0x20, lo spazio) DATA mode Questo stato si occupa di trasferire il contenuto della RAM locale sulla RAM del display. Per gestire questo processo, si avvale di un contatore e di una variabile che indica la linea. Dopo aver terminato la scrittura di una linea viene modificato il flag che indica la linea corrente, e lo stato principale viene modificato in SET_DDRAM mode. Questo è necessario poichè non è possibile scrivere in maniera consecutiva i 32 byte della RAM del controllore, in quanto le locazioni di memoria che rappresentano i caratteri delle due linee non sono contigue. Figura 11 - RAM del controllore del display con evidenziata la parte relativa ai caratteri Per passare quindi dalla prima linea alla seconda linea, è necessario modificare il puntatore. 11
13 SET_DDRAM mode Viene eseguito il comando Set_DDRAM Address (l indirizzo viene impostato a 0x00 oppure a 0x40 a seconda del flag che indica la linea corrente), dopodiché viene ripristinato il DATA mode. 6 - Ulteriori considerazioni Le informazioni visualizzate sul display LCD devono essere codificate secondo lo standard ASCII, tuttavia questo non è il modo con cui i valori sono gestiti internamente dalla logica. Per ragioni di comodità, tutti i tipi di dato utilizzati per le operazioni sono di tipo std_logic_vector, oppure integer. Tale scelta, permette di semplificare notevolmente la maggior parte delle operazioni (come quelle di incremento del volume dell audio), ma si rivela problematica quando si tratta di trasferire queste informazioni sul display. È stato implemetato un package lib.vhd contenente la funzione int2ch, che ha come argomento un integer (da 0 a 9), e restituisce il rispettivo codice ASCII della cifra. Questa soluzione permette di scrivere sul display in maniera istantanea un valore intero di una singola cifra, molto più complesso è scrivere un intero di più cifre partendo da un valore integer. 12
14 7 - Verifiche sperimentali e considerazioni finali È stato in primo luogo testato il modulo LCD, caricando sulla FPGA attraverso il tool Xilinx ISE Web Pack, un codice di prova che effettua la stampa a video di un carattere. Dopo averne verificato il corretto funzionamento, il codice è stato modificato per poter scrivere in maniera continua il contenuto della RAM locale sul display. Infine, per validare il modulo LCD, è stata realizzata l interfaccia per permettere la modifica dei valori della RAM, inserendo tale blocco nel modulo keyboard, che si limita a generare i segnali per scrivere sulla RAM. Infine il progetto è stato verificato nella sua completezza, visitando tutti i menu ed eseguendo le modifiche dei valori mediante i pulsanti ed il rotary switch. La realizzazione del modulo LCD è stata realizzata in maniera general purpose, ed ho tenuto in particolare considerazione, la semplicità di poter gestire le informazioni visualizzate da parte del progettista, grazie all utilizzo del tipo di dato string, il quale permette di scrivere nel codice, direttamente le stringhe ASCII, lasciando alla logica la successiva conversione. Il numero limitato di schermate visualizzate, tuttavia, causa una grande generazione di warning da parte del tool di sintesi (relativi a bit dichiarati come variabili che però non vengono modificati), poiché effettivamente molti valori dei bit componenti le stringhe da visualizzare, vengono ad assumere un valore costante (o per le coincidenze del codice ASCII, o per il gran numero di caratteri di spaziatura bianchi utilizzati). 13
15 8 - Links e bibliografia - Spartan-3E Starter Kit User Guide - Spartan-3E Starter Kit Reference Designs - Rotary Encoder Interface _interface.pdf - File sorgenti del progetto: constraints.ucf keyboard_module.vhd lcd_module.vhd lib.vhd 14
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