Funcionamiento de los displays de siete segmentos

En el display ánodo común son con los que cuenta la tarjeta, todos los ánodos de los diodos LED unidos y conectados entre si, existe la posibilidad de que cada display se programe y solamente se pueda visualizar los resultados en uno, pero en esta ocasión trabajaremos con todos y observaremos como es su programación y funcionamiento.

Primeramente para programarlos necesitamos tener un arreglo de entrada de 4 bits (estos serán los switches para poder ir ingresando los números y otro arreglo de salida de 7 bits los cuales serán los leds de cada display. A continuación se muestra la manera de como están numerados para que cuando se desee programar el número que encenderá conozcas los leds que debes encender.

Es importante mencionar que encienden en bajo, y el código se realizará en un proceso y dentro de este un "case" con "when" y la salida se realizara con con los bits agregados comenzado como se muestra en el ejemplo de código:

case entrada is

when "0000" => salida <= "1000000"; --(N16)(F13)(R16)(P15)(N15)(G13)(E14) es el orden

when "0001" => salida <= "1111001";

........

end case;

end process;

Una vez que se ha introducido el código y compilado de una manera correcta, se escribirán las salidas y entradas y se generará el archivo .bit para poder cargar a la tarjeta y funcione.

Implementar un sumador, decodificador y multiplexor.

Lo primero que tenemos que entender es la forma binaria de hacer las sumatorias, para ello se muestra el siguiente diagrama:

Se muestran tres diferentes variables X, Y y Z, las compuertas OR servirán para hacer las sumas, mientras que en la AND se llevará el carry, el diagrama es una sumatoria completa.

El sumador consiste en ir sumando bit por bit (el menos significativo con el menos significativo) e ir guardando el carry que pueda producir para sumarlo al resultado de la suma de los bits siguientes. El resultado se va guardando en variables de salida diferentes, mientras que el carry se va arrastrando en una variable temporal hasta que se asigna a un carry de salida final al termino de la suma. Como se muestra el la siguiente figura:

En el lenguaje VHDL para poder programar en la tarjeta Spartan3 necesitaremos asignar las diferentes entradas, proponemos (A, B, C, D, W, X, Y, ), y salidadas (S1,S2,S3,S4). Posteriormente comenzaremos la sumatoria de los bits, primeramente (D xor Z) y se realizará después de 10ns, si existiese un carry agregaremos una variable adicional que irá acumulando los distintos carry´s. para sumar S2 se agrega (C xor Y xor variable del primer carry) después de 10ns, para el segundo carry se agregará la variable igualada a ((C and Y) or (C and variable 1er. carry) or (Y and varible 1er. carry)) después de 10 segundos. Y con esta metodología se relizarán las siguientes sumatorias (B xor X) y (A xor W). De esta manera se podrán obtener los resultados a la suma, recomendamos que se muestren en los led´s de la tarjeta y que la entrada de datos sea por medio de los switches.

Un decodificador es un circuito lógico que acepta un conjunto de entradas que representan números binarios y que activan solamente la salida que corresponde a dicho dato de entrada. En otras palabras, un decodificador mira a sus entradas, determina qué número binario está presente y activa la salida correspondiente a dicho número. Todas las otras salidas permanecerán inactivas. Un decodificador modelo tiene N entradas y M salidas. Debido a que cada una de las N entradas puede ser 0 o 1, hay 2N posibles combinaciones o códigos de entrada. Para cada una de estas combinaciones de entrada sólo una de las M salidas estará activa, y todas las otras estarán inactivas.

En este caso aplicaremos uno de 3x8 declarando tres entradas y 8 salidas, se realizará un "process" en el código y dentro de este un "case". Con un "when" pondremos la entrada y con signos de igualación, menor y mayor que mostraremos el número binario que saldrá del decodificador. Como se muestra en el siguiente ejemplo:

case entrada is

when "000" => salida <= "10000000";

(siguen los diferentes casos)...

end case;

end process;

Finalmente los datos de entrada se entregarán por medio de los switches y las salidas se observaran en los leds de la tarjeta Spartan 3.

Un multiplexor tiene de 4 a 1 tiene cuatro entradas y dos entradas de selección que son las que eligen cual de los cuatros bits de entrada salen en la única salida. Utiliza una estructura muy similar en código a la del decodificador, a base de "case". El valor de la variable tomaba un caso específico y la salida el valor de bit de entrada en esa posición, por ejemplo:

case selec is

when "00" => salida <= a;

(se sigue en los diferentes casos)....

Los datos se entregarán por medio de los switches y la salida por led.

Realización de una ALU de 2 bits

Una Unidad Aritmética Lógica es un circuito digital que realiza operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación, división) y operaciones lógicas (AND, OR, NOT) así como muchos otros tipos de operaciones.

Para que la ALU funcione de una manera eficaz sugerimos agregar un decodificador con el cual se seleccionaran las operaciones que desea realizar el usuario en la ALU. Los datos ingresados se procesan de tal manera que pueda obtener el resultado de la operación asignada, incluyendo carry´s.

Uno de los primeros programas de prueba que podemos realizar es la configuración de una ALU en la tarjeta, para lo cual necesitaremos asignar variables, nosotros recomendamos las siguientes: para los datos de entrada X1, X2, Y1, y Y2, además de un arreglo de 3bits que serán la selección de operación; para los datos de salida un arreglo de cuatro bits (ya que habrá operaciones que utilizarán todos).

En un "case" se recibirá la variable de selección, para el not solo se negará la entrada, para las demás operaciones lógicas se utlizará el bit número de uno de la variable X y Y.

Para la suma se utiliza tal cual el código como se explica en este blog en la publicación de "Implementar un sumador...", la multiplicación la realizamos siguiendo el siguiente esquema a base de and´s y sumas.

La operación AND de X1 con Y1 se pone tal cual como una salida cero, después se suma el AND de X2 con Y2 junto con el AND de X2 con Y1, si existe un carry se agrega a la siguiente suma y de esta manera se va realizando la multiplicación, básicamente son AND´s y Sumas.

Para agregar los corrimientos de bits ya sea a la izquierda o a la derecha, solamente es una sustitución de valores.

when "101" => salida <= "0000"; --x>>y

salida(0) <= x(1);

salida(1) <= y(0);

Al tener todo el programa escrito en un "case" con los diversos "when" se podrá cumplir el objetivo que tiene una ALU y se podrán hacer las operaciones aritméticas de dos bits.

¿Cómo compilo y hago que funcione el código en la tarjeta?

Una vez que hemos escrito el programa, tenemos que asegurar que no exista ningún tipo de error, para ello sirve la compilación. Esta se realiza dando clic al icono de play en color verde arriba del código.

Al dar clic empezará a correr todos los procesos de verificación y armado de código, todo se estará detallando en la barra que se encuentra en la parte inferior de la pantalla.

Una vez completada la verificación del código si no existe ningún tipo de error debemos dar clic en "I/O Pin Planning (PlanAhead)-Pre-synthesis" que se localiza en el menú processes en la parte izquierda de la pantalla en medio.

Al dar clic en este diálogo se abrirá una nueva ventana (tarda un poco en cargar, no dar varias veces clic), aquí escribiremos el nombre de los puertos de entrada y salida según estas escritos en letra blanca y entre paréntesis en la tarjeta (son una letra y dos dígitos).

En esta pantalla damos clic en IO/Ports y se desplegara la lista de todos los que utilizaremos (según fue nuestra programación) y en la pantalla inferior "IO/Ports properties" escribiremos en la caja de texto "site" el número y letra asignada, al terminar con cada una daremos clic en "apply", y al terminar todas clic en Finish, para terminar guardamos lo cambios realizados.

Al terminar con esta pantalla damos clic en la anterior "Implement Design" y "Generate programming file" para que guarde en la misma dirección que dimos en un principio un archivo .bit y este es que que cargamos a nuestra tarjeta utilizando el controlador del cable Adept (se explica en el primer block).

Utilización del software para escribir el código.

Una vez que ya tenemos instalado el programa ISE Proyect Navigator en nuestra computadora, lo abriremos y crearemos un nuevo proyecto, dando clic en file--New Project, posteriormente se abrirá una ventana donde escribiremos el nombre que queramos darle y la ubicación para guardarlo en memoria. (Recomendamos utilizar la que nos proporciona dentro de una carpeta llamada Xilinx).

Al dar clic en Next abrirá otra ventana en la cual debemos ingresar los datos de la tarjeta que vamos a programar y el lenguaje que utilizaremos. En family agregaremos Spartan-3, en divice XC3S200, en package FT256, en preferred lenguage VHDL y todo lo demás se dajá igual, damos clic a Next y nos aparecerá un repote del programa que creamos.

Al terminar pulsaremos el botón finish y aparecerá una pantalla con fondo gris mayormente, tenemos que ir al icono que aparece del lado izquierdo de la pantalla, que parece como una hoja con un Sol en la orilla (New Source) y al darle clic se abrirá una pantalla que se llama "Select source type" aquí debemos dar clic en VHDL Module y pondremos el mismo nombre que tiene el programa.

Al dar clic en Next tendremos otra ventana donde ingresaremos los nombres de los puertos que utilizaremos en la tarjeta y seleccionaremos si son de entrada, salida o entrada/salida. Al dar clic en Next aparecerá un pequeño reporte de lo que vamos a utilizar como entradas y salidas.

Después de todos los procedimientos que realizamos anteriormente ahora si aparecerá en pantalla el lugar para que podamos escribir el código del programa que queremos hacer.

Y de esta manera ya podrás escribir el código para hacer cualquier cosa con tu tarjeta Spartan-3.

¿Cómo hago funcionar una Spartan-3?

La empresa Digilent es la que se encarga de fabricar estas tarjetas con FPGA´s, las cuales sirven para poder realizar varios proyectos. Existe toda una gama de tarjetas con estas características, se pueden consultar en http://www.digilentinc.com/Products/Catalog.cfm?NavPath=2,400&Cat=1 y los modelos spartan son los que se utilizan con mas frecuencia.

La tarjeta que explicada será la spartan-3, el precio aproximado es de $109 dolares americanos más gastos de envío, preguntando con la empresa si eres estudiante y llenas el formato puedes obtener un descuento al comprar tu material.

Antes de comenzar a utilizar la tarjeta es importante realizar algunas adecuaciones al equipo donde la vayas a instalar; primeramente te recomendamos particionar el disco duro de la computadora donde instalaras los controladores y el software con el que se programara, ya que ocupan varios gigas de memoria.

Una vez que este listo el equipo deberás entrar a la pagina de XILINX, una empresa que realiza FPGA´s con programadores para la industria de los semiconductores. En esta pagina buscaremos el programa con el que haremos funcionar nuestra tarjeta.

Al ingresar a la página deberás registrarte para poder bajar los programas, la liga es https://secure.xilinx.com/webreg/createUser.do?, una vez que te hayas registrado te llegara a tu correo electrónico un mail para confirmar tu suscripción. Cuando estés registrado irás al apartado que dice "downloads" y bajaras el Sofware ISE Design Suite-12-2 Full Product Instalation el cual incluye el programa ISE WebPACK (esta disponible solamente para Windows y Linux, MAC no es compatible con el programa). El tamaño del archivo comprimido es casi 3GB, si no tienes Winzip es importante que lo bajes para poder descomprimir el archivo, la velocidad de descarga depende mucho que tal sea tu conexión a la red.

Una vez que el archivo esta almacenado y descomprimido en tu computadora debes abrir la carpeta que dice "xsetup" y automáticamente comenzará la descarga del software. Llegara un momento donde se te abre una ventana que dice "Xilinx License Configuration" aquí deberás dar clic en "Get Free ISE WebPack License" y después "next", entrarás a la pagina de Xilinx, te pedirá tu usuario y contraseña para poder mandar a tu mail un archivo con la licencia.

Llegará a tu mail un archivo .lic, lo guardaras en tu equipo y en la ventana de Xilinx License que esta abierta iras a la pestaña que dice "Manage Xilinix Licences", en el botón set buscaras el archivo .lic y al cargar oprime el botón aceptar. Con este paso terminará la instalación del software para poder escribir tus códigos.

Por último necesitas ir a la página http://www.digilentinc.com/ y en la opción de "Cables & conectors" que se encuentra a la izquierda darás clic, y buscaras el cable: JTAG-USB Programming Cable (no es necesario que lo compres ya viene incluido con la tarjeta), pero es necesario baja el controlador y esto lo haces dando clic en "more info" y de allí en la parte derecha hay un dialogo que dice "Digilent Adept Suite" allí darás clic y se abrirá otra página, donde esta el texto "Download" dar clic y se instalara el controlador automáticamente en tu equipo (no se necesita licencia).

Al terminar la instalación ya podrás hacer uso de la tarjeta Spartan-3, te recomendamos hacer una prueba para ver el funcionamiento de tu tarjeta. Esta la haces visitando la página de Digilent, y en las opciones de la derecha das clic en FPGA Boards, seleccionas "more info" de la spartan-3 y bajas el archivo .zip llamado S3BOARD-DEMO.ZIP.

Al descomprimir la carpeta encontraras un archivo .bit (este es el que se descargará en la tarjeta). Para hace la descarga tienes que abrir el programa ADEPT, conectaras la tarjeta para que la reconozca y en la parte de arriba cargas el archivo .bit que descomprimiste anteriormente, das clic en el botón de la derecha y después en el de abajo para cargar el código y listo tu tarjeta esta funcionando!!!!