KR100264721B1 - Training kit for digital circuit design and processor control and utilization - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실제회로를 구성하지 않고도 실습을 통해서 디지털 회로 설계방법 및 프로세서의 제어와 활용을 쉽게 습득할 수 있도록 하는 디지털 회로 설계 및 프로세서 제어와 활용을 위한 트레이닝 키트에 관한 것이다.The present invention relates to a digital circuit design method and a training kit for controlling and using a digital circuit, which makes it possible to easily learn and control a digital circuit design method and a processor through practice without configuring an actual circuit.
반도체 기술의 발달에 따라 엄청난 수의 트랜지스터가 하나의 칩(chip)에 집적되고 칩의 동작이 고도로 발전함에 따라 디지털 회로 설계 후 실제 시스템 상에서 칩의 정상적인 동작여부를 판단하는 것이 중요한 관건이 되고 있으며 특히 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)화 하는데 많은 비용 부담을 감수하게 되고 이에 따라 칩의 실제 동작 여부를 미리 판단하여 보는 것이 중요한 일이 되고 있다.With the development of semiconductor technology, as a large number of transistors are integrated on one chip and the operation of the chip is highly developed, it is important to judge the normal operation of the chip on the actual system after designing the digital circuit. As the application specific integrated circuit (ASIC) is expensive, it is important to determine the actual operation of the chip in advance.
그러므로 단순히 회로설계 툴(Tool)상의 시뮬레이션(Simulation)만으로 만족하지 않고 설계된 로직(Logic)을 실제로 하드웨어(Hardware)화 시켜 그 동작 여부를 확인하려 할 필요가 있으며 이를 위하여 하드웨어 에뮬레이터(Emulator)나 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용하게 된다.Therefore, it is not necessary to simply satisfy the simulation on the circuit design tool, but it is necessary to actually make the designed logic into hardware to check the operation. For this, a hardware emulator or an FPGA ( Field Programmable Gate Array.
하드웨어 에뮬레이터 장비는 고가이므로 손쉽게 이용할 수 없지만 FPGA는 적은 비용으로 실험실 수준에서 ASIC을 검증해 볼 수 있으며 또한 일반적으로 많이 접하게 되는 프로세서들이 많이 있으며 또한 이 프로세서의 제어 및 활용을 위한 많은 테스트 장비들이 많이 출시되어 있다.Hardware emulator equipment is expensive and not readily available, but FPGAs can be used to verify ASICs at the lab level at a low cost, and there are many processors that are commonly encountered, and many test equipment for controlling and utilizing these processors are available. It is.
그러나 상기된 프로세서의 활용 및 사용에 다소의 어려움을 느끼고 접근하는데 많은 시간 및 노력을 기울여야 하는 문제가 있다.However, there is a problem that requires a lot of time and effort to approach and feel some difficulty in utilizing and using the above-described processor.
그리고 상기된 FPGA와 프로세서의 사용은 전자회로 설계자가 현장에서 직접회로를 설계 및 구현을 할 수 있는 새로운 형태의 ASIC으로써 범용 회로의 구현이 어렵고 용량이 적어 응용범위가 제한된 PLD(Progammable Logic Device)의 단점과 제작비용이 많이 드는 ASIC의 단점을 해결하였으며 프로세서의 주변 인터페이스를 구축하여 보다 더 프로세서의 접근 및 이해를 쉽게 한 것이다.In addition, the use of the above-described FPGA and processor is a new type of ASIC that enables an electronic circuit designer to design and implement an integrated circuit in the field. Therefore, it is difficult to implement a general-purpose circuit and has a small capacity. We solved the shortcomings and disadvantages of costly ASICs, and built a processor's peripheral interface to make the processor more accessible and understandable.
그러나 FPGA는 동작속도나 집적도가 ASIC에 비해 크게 떨어지므로 FPGA가 주로 사용되는 응용분야는 설계된 ASIC의 빠른 검증과 주기가 짧은 ASIC 대체용으로 사용된다.However, because FPGAs have significantly lower operating speeds and densities than ASICs, applications in which FPGAs are primarily used are used for fast verification and short-cycle ASIC replacement of designed ASICs.
현존하는 FPGA 종류는 Xilinx사, ALTERA사, Actel사, Quick Ligic사 제품 등 다양하며, 프로세서의 종류는 인텔사의 8051, 8751, 자일로그사의 Z8O 및 같은 계열의 프로세서의 종류와 성능이 많이 있고, 이 중 FPAG는 ALTERA사의 제품이 국내 50%이상의 점유율을 가지고 있으며 , 프로세서는 인텔사의 8051계열과 자일로그사의 Z8O이 가장 보편화되어 있어, 상기 ALTERA사의 제품을 이용한 효과적인 디지털 설계실습과 인텔사의 8051계열 및 자일로그사의 Z80을 통해 대학과정에서의 디지털 회로 설계 및 프로세서의 제어 및 활용에 대한 학습을 트레이닝 키트를 통해 보다 쉽게 구성하여 실습 및 검증을 해볼 수 있도록 하는 것이 이 디지털 회로 설계 및 프로세서의 제어와 활용을 위한 트레이닝 키트의 개발 취지이다.There are many types of FPGAs currently available, including Xilinx, ALTERA, Actel, and Quick Ligic, and the types of processors include Intel's 8051, 8751, Zyllo's Z8O, and many of the same series of processors. Among FPAG, ALTERA's products have more than 50% market share in Korea, and the processors are most commonly used by Intel's 8051 series and Zyllogue's Z8O, so it is effective digital design practice using ALTERA's products and Intel's 8051 series and Gil Logic's Z80 makes training on digital circuit design and processor control and utilization in college courses easier and more hands-on, with training kits to help you control and use this digital circuit design and processor. The purpose is to develop a training kit.
본 발명은 대학에서 디지털 회로 설계를 배우는 초보자나 일반업체에서 간단하게 사용목적에 따라 TTL이나 논리회로, 프로세서의 응용회로를 직접 제작하지 않고 ALTERA사의 MAX+PLUSII이라는 FPGA 디자인 툴과 윈도우 95환경하에서 자체적으로 개발된 사용자 인터페이스를 이용하여 프로세서를 직접 제어할 수 있는 범용으로 사용되는 C언어와 어셈블리어를 통해 쉽게 디지털 설계방법 및 프로세서를 이해, 습득할 수 있도록 한 것으로, 대학 과정의 디지털 실습 과목에서 배우는 100여개의 디지털 예제 회로뿐 아니라 10∼15개의 디지털 응용회로 및 프로세서 제어를 위한 인터페이스 회로를 바로 실습할 수 있도록 한다.According to the present invention, a beginner or a general company learning digital circuit design at a university does not directly manufacture TTL, logic circuits, or application circuits of a processor according to the purpose of use. The C language and assembly language, which can be used to directly control the processor using the developed user interface, make it easy to understand and acquire digital design methods and processors. In addition to several digital example circuits, it also provides hands-on practice for 10-15 digital application circuits and interface circuits for processor control.
이러한 본 발명은 MAX+PLUSII의 FPGA 디자인 툴로 사용자가 설계한 회로를 개별적으로 사용하거나 프로세서의 제어 및 활용을 위한 주변 인터페이스 회로의 설계 후에 입력받는 설계회로 프로그램 입력수단과, 입력받은 TTL 레벨 및 디지털 회로를 실제회로로 구성한 것과 같은 역할을 수행하는 로직디자인 블록과, 설계회로 프로그램 입력수단의 입력모드 선택과 사용클럭 주파수를 선택하는 컨트롤 블록과, 로직디자인 블록에서 구성된 회로를 외부로 출력확인시키는 입출력 블록과, 로직디자인 블록에 사용 선택입력을 인가시키는 입출력을 위한 스위칭 블록을 구비시킴으로써 이루어진다.The present invention is a design circuit program input means for inputting the circuit designed by the user using the FPGA design tool of MAX + PLUSII individually or after designing the peripheral interface circuit for controlling and utilizing the processor, and the received TTL level and digital circuit. Logic design block that plays the same role as real circuit, control block for selecting input mode and used clock frequency of design circuit program input means, and input / output block for outputting the circuit configured in logic design block to the outside. And a switching block for input and output for applying the use selection input to the logic design block.
제1도는 본 발명의 블록도.1 is a block diagram of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : FLEX 로직디자인 블록 2 : MAX 로직디자인 블록1: FLEX Logic Design Block 2: MAX Logic Design Block
3 : 프로세서 4 : 콘트롤 블록3: processor 4: control block
5 : 스위칭 블록 6 : Memory 블록5: switching block 6: memory block
7 : 입출력 블록 8 : 외부 확장 포트 블록7: I / O block 8: External expansion port block
9 : VGA 포트(컴퓨터의 모니터와 연결되는 포트)9: VGA port (port connected to the monitor of the computer)
10 : PS II 포트(컴퓨터의 키보드나 마우스와 연결되는 포트)10: PS II port (port that connects to the keyboard or mouse of the computer)
11 : 다운로드 포트11: download port
12 : RS232 포트(컴퓨터와 시리얼 통신을 위한 포트)12: RS232 port (port for serial communication with computer)
13 : 클럭 발생 블록 14 : EPROM13: Clock Generation Block 14: EPROM
15 : PROM15: PROM
본 발명은 ALTERA사의 MAX+PLUSII의 FPGA 디자인 툴을 사용하여 사용자가 설계한 회로가 들어가 TTL 레벨 또는 디지털 논리회로 프로세서를 위한 인터페이스 회로를 실제회로로 구성한 것과 같은 역할을 수행하는 로직디자인 블록(1,2)과, 사용자가 설계한 회로를 로직디자인 블록(1,2)에 전송하고 사용클럭 주파수를 선택하는 콘트롤 블록(4)과,The present invention provides a logic design block (1, 1), which uses a FPGA design tool of MAX + PLUSII of ALTERA and performs a role as a circuit composed of an actual circuit consisting of an interface circuit for a TTL level or a digital logic processor. 2) a control block 4 for transmitting a user-designed circuit to the
사용자가 설계한 회로를 로직디자인 블록(1,2)에 전송하고 사용클럭 주파수를 선택하는 콘트롤 블록(4)과,A control block 4 for transmitting a user-designed circuit to the
로직디자인 블록(1,2)에 들어간 사용자 회로를 입출력을 위한 입출력 블록(7)과,Input / output blocks (7) for inputting / outputting user circuits entered in the logic design blocks (1, 2),
데이터 어드레스 선을 설정하는 입출력 콘트롤 을 위한 스위칭 블록(5-1)과,A switching block 5-1 for input / output control for setting a data address line,
로직디자인 블록(1,2) 사용시 데이터 베이스 관련 로직이나 루크업(Look Up)테이블과 같은 로직이 구현될 때 사용되는 메모리 블록(6)과,A memory block 6 used when a logic such as a database related logic or a look up table is implemented when the
개인용 컴퓨터를 통해 사용자가 설계한 회로를 로직디자인 블록(1,2)에 전송하는 바이트 블라스터(Byte Blaster)를 사용하는 다운로드 포트(11)와,A
로직디자인 블록(1,2)에 사용자가 설계한 회로를 전송하는 패러랠 롬으로 퍼스널 컴퓨터 없이 단독으로 제어할 때 사용되는 EPROM(14)과,EPROM 14 used for independent control without a personal computer in a parallel ROM for transferring a circuit designed by a user to the
ALTERA사의 전용 롬인 PROM(15)과,PROM (15) which is exclusive ROM of ALTERA company,
로직디자인 블록(1,2)의 입출력을 확장시키는 외부 확장 포트 블록(8)을 구비시킴으로써 이루어진다.This is achieved by having an external
그리고 본 발명에는 전원 어댑터로부터 전원을 공급받기 위한 전원 잭과 함께 전원 온/오프를 선택하는 전원 스위치가 구비되고 퍼스털 컴퓨터와의 양방향 통신 및 인터페이스를 위한 RS232C(12)가 구비된다.In addition, the present invention includes a power switch for selecting power on / off together with a power jack for receiving power from a power adapter, and RS232C 12 for bidirectional communication and interface with a personal computer.
이러한 본 발명에서 로직디자인 블록(1)은 SRAM Base로 구성되어 있으며 MAX+PLUSII의 FPGA 디자인 툴을 사용하여 사용자가 작성한 프로그램이 실행되는 가장 중요한 블록으로써 약 20,000개의 XOR Gate 로직을 수용할 수 있는 EPF10K20RC240-4가 탑재되어 있고 1,344개의 레지스터와 12K 램 비트 블록에 내장되어 있다.In the present invention, the logic design block (1) is composed of SRAM Base and is the most important block in which a user-written program is executed by using the FPGA design tool of MAX + PLUSII. -4 is built in and is housed in 1,344 registers and a 12K RAM bit block.
본 발명의 로직디자인 블록(2)은 EPROM Base로 구성이 되어 있으며 MAX+PLUSII의 FPGA 디자인 툴을 사용하여 사용자가 작성한 프로그램이 실행되는 가장 중요한 블록으로써 약 2,500개의 XOR Gate 로직을 수용할 수 있는 EPM7128LC84-10이 탑재되어 있고 128개의 레지스터를 내장하고 있다.The logic design block (2) of the present invention is composed of EPROM Base and is the most important block in which a user-written program is executed using the FPGA design tool of MAX + PLUSII. The EPM7128LC84 can accommodate approximately 2,500 XOR gate logics. -10 is installed and 128 registers are built in.
로직디자인 블록(1)은 40,0000Gates에 까지 설계할 수 있으며 2,576개의 레지스터와 16K 램 비트블록이 내장되어 있다.The logic design block (1) can be designed for up to 40,0000 Gates and contains 2,576 registers and 16K RAM bit blocks.
로직디자인 블록(1)에서 사용자가 사용할 수 있는 입출력편의 수는 총 134개인데 이들 모두가 프로세서와 스위칭 블록 및 외부 확장 포트 블록과 연결하여 사용할 수 있게 되어 있다.In the logic design block (1), the total number of input / output pieces that can be used by the user is 134, all of which can be connected to the processor, the switching block, and the external expansion port block.
로직디자인 블록(2)에서 사용자가 사용할 수 있는 입출력 핀의 수는 총 68 개인데 이들 모두가 프로세서의 스위칭 블록 및 외부 확장 포트 블록과 연결하여 사용할 수 있게 되어 있다.In the logic design block (2), there are a total of 68 input / output pins available to the user, all of which can be connected to the processor's switching block and external expansion port block.
콘트롤 블록(4)은 사용자가 설계한 회로를 로직디자인 블록(1,2)에 전송하고 사용클럭 주파수를 선택하는 것으로, 설계회로의 전송모드 선택과 클럭주파수의 선택은 콘트롤 블록(4)에 의해 선택되게 한다.The control block 4 transmits the circuit designed by the user to the
여기서 클럭은 80MHz의 발진기를 사용하고 있으며 스위치 조작에 의해 사용자의 요구에 맞는 주파수의 생성과 외부클럭 주파수(CLK-EXT)를 선택 사용할 수 있도록 한다.Here, the clock uses an 80MHz oscillator, and the switch operation enables the generation of a frequency that meets the user's needs and the selection of the external clock frequency (CLK-EXT).
본 발명은 디지털 회로 설계 및 프로세서 제어와 활용을 위한 트레이닝 키트의 동작모드는 퍼스널 컴퓨터로 직접 제어할 때의 바이트 블라스터 모드와, 패러랠 롬으로 제어할 때의 PPS(Passive Paraller Synchronous)모드와, 내장 롬으로 제어할때의 EPC1 모드가 있으며 제어 블록에 의해 제어된다.According to the present invention, the operation mode of the training kit for digital circuit design and processor control and utilization includes a byte blaster mode when directly controlled by a personal computer, a passive paraller synchronous mode (PPS) when controlled by parallel ROM, and a built-in ROM. There is an EPC1 mode when controlling with a control block.
먼저 바이트 블라스터 모드는 ALTERA사 전용 툴인 MAX+PLUSII상에서 디자인된 회로를 바이트 블라스터를 사용하는 다운로드 포트(11)를 통해 직접 로직디자인 블록(1,2)에 구현하는 모드로써 사용자가 디자인한 회로를 실제로 로직디자인 블록 (1,2)에서 구현하는 가장 빠르고 손쉬운 방법이다.First, the byte blaster mode is a mode in which a circuit designed on MAX + PLUSII, an exclusive ALTERA tool, is directly implemented in the logic design block (1, 2) through the
그러나 이 방식은 반드시 퍼스널 컴퓨터를 바이트 블라스터를 사용하는 다운로드 포트(11)에 접속시켜야 하므로 퍼스널컴퓨터 없이는 사용할 수 없다.However, this method cannot be used without the personal computer since the personal computer must be connected to the
다음으로 PPS 모드는 EPROM(14)에 저장된 데이터를 로직디자인 블록(1)에 패러랠로 전송하여 구현하는 방식으로 퍼스널컴퓨터 없이 EPROM(14)을 가지고 구현할 수 있으나, 이 경우 EPROM(14)에 사용자가 설계한 데이터를 메모리시킬 수 있는 롬 라이터(ROM WRITER)를 구비하여야 한다.Next, the PPS mode is implemented by transferring data stored in the EPROM 14 to the logic design block 1 in parallel, and can be implemented with the EPROM 14 without a personal computer. A ROM writer should be provided to store the designed data.
PPS 모드는 사용자가 설계한 회로가 저장된 EPROM(14)을 이용하여 구현 가능하므로 퍼스널 컴퓨터가 필요 없으나 반드시 롬 라이터를 구비하여야 하는 불편이 따른다.Since the PPS mode can be implemented using the EPROM 14 in which user-designed circuits are stored, a personal computer is not required, but a ROM writer must be provided.
또한 EPCI 모드는 ALTERA사의 전용 롬인 PROM(15)에 데이터를 저장하는 롬 라이터 장비를 별도로 필요로 하고 바이트 블라스터(Byteblaster)모드의 경우 전원을 껐다 켤 경우 다시 로딩시켜야 하는 불편이 따르게 되나 전용 롬(EPCI)의 사용으로 조작이 간편한 이점이 있다.In addition, the EPCI mode requires a ROM writer that stores data in ALTERA's dedicated ROM, PROM (15) .In the case of the Byteblaster mode, it is inconvenient to reload when power is turned off and on. ) Has the advantage of easy operation.
콘트롤 블록(4)은 다운로드 및 클럭 콘트롤을 다운로드 포트(11), EPROM(14), PROM(15)을 선택적으로 콘트롤하여 사용자가 설계한 디지털 회로를 로직디자인 블록(1)에서 실제 회로와 갈이 구현시키는 한편 클럭 주파수를 선택하게 된다.The control block (4) selectively controls the download port (11), EPROM (14), PROM (15) to download and clock control to replace the user-designed digital circuit with the actual circuit in the logic design block (1) In the meantime, the clock frequency is selected.
로직 디자인 블록(1)은 사용자가 설계한 디지털 회로 구현시 내장 램을 사용하게 되나 방대한 데이터 베이스 관련 로직이나 루크업 테이블과 같은 로직이 구현될 경우 메모리 블록(6)을 사용하게 된다.The logic design block 1 uses embedded RAM to implement a user-designed digital circuit, but uses a memory block 6 when a large amount of database related logic or a lookup table is implemented.
또한 로직디자인 블록(1,2)은 RS232C(12)를 통하여 퍼스널 컴퓨터와 양방향 통신 및 인터페이스를 할 수 있게 된다.In addition, the logic design blocks 1 and 2 are capable of bidirectional communication and interface with the personal computer through the
로직디자인 블륵(1,2)에서 사용자가 설계한 회로의 출력은 입출력을 콘트롤하는 스위칭 블록(5-1)을 통하여 입출력 블록(7)에 인가되어 표시되며, 입출력 블록(7)은 LCD, 7-세그먼트 8개, LED 8개로 구성된다.In the logic design block (1, 2), the output of the circuit designed by the user is applied to the input / output block (7) through the switching block (5-1) for controlling the input / output, and the input / output block (7) is displayed on the LCD, 7 It consists of eight segments and eight LEDs.
입출력 블록(7)의 LCD, 7-세그먼트, LED는 미리 출력장치로써 선택한다.The LCD, 7-segment, and LED of the input /
또 입출력 블록(7)은 사용자가 로직디자인 블록(1,2)에 입력을 주기 위한 부분으로 16비트 딥스위치와 25개의 키패드로 구성된다.In addition, the input /
외부 확장 포트 블록(8)은 사용자가 설계한 회로가 자체에 내장되어 있는 입출력 블록(7)이나 입출력 블록(7)과 맞지 않거나 별도의 인터페이스 보드를 제작하였을 경우에 사용된다.The external
이러한 본 발명은 MAX+PLUSII의 텍스트 에디터나 그래픽 에디터를 사용하여 회로를 설계한 후 바이트 블라스터 모드로 사용할 경우 다운로드 포트(11)를 통하여 설계 회로를 로직디자인 블록(1,2)에 실어 주고, PPS 모드로 사용할 경우는 롬라이터를 이용하여 설계회로를 EPROM(14)에 저장시키며, ECP1 모드로 사용할 경우는 롬 라이터로 설계 회로를 PROM(15)에 저장시키게 된다.In the present invention, when designing a circuit using a text editor or graphic editor of MAX + PLUSII and using it in the byte blaster mode, the design circuit is loaded to the logic design blocks (1, 2) through the download port (11), and the PPS. When used in the mode, the design circuit is stored in the
상기 바이트 블라스터 모드, PPS 모드, EPC1 모드는 미리 설정되어 있는 바와 같이 콘트롤 블록(4)의 모드 선택 스위치를 조작하여 설정해 주게된다.The byte blaster mode, the PPS mode, and the EPC1 mode are set by operating the mode selection switch of the control block 4 as previously set.
로직디자인 블록(1,2)은 사용자가 설계한 회로를 실제 회로로 구성한 것과 같이 역할을 수행하며 스위칭 블록(5-1)의 설정에 따라 그 결과를 입출력 블록(7)을 통하여 디스플레이시키게 된다.The logic design blocks 1 and 2 function as if the circuit designed by the user is configured as an actual circuit and display the result through the input /
본 발명은 사용자가 설계한 회로를 실제로 구성하지 않고도 설계 회로를 검증 할 수 있으며 특히 대학과정에서 배우게 되는 디지털 회로 및 프로세서의 제어와 활용에 대한 검증을 할 수 있어 교육성과 확인에 효과적인 발명인 것이다.The present invention can verify the design circuit without actually configuring the circuit designed by the user, and in particular, can verify the control and utilization of digital circuits and processors learned in the university course is an effective invention for education and verification.
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