計算機工学特論A 　　テキスト内容　5.6.

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1 計算機工学特論A 　　テキスト内容　5.6

2 ワン・ホット方式ステートマシン 一つの状態に対して１個FFを用いる方式。
例 4つの状態A,B,C,Dに対して４個の1bit FF　a,b,c,dが対応する。 FF a FF b FF c FF d 状態A 1 状態B 状態C 状態D ワン・ホット式 FF a FF b 状態A 状態B 1 状態C 状態D デコード式

3 Always @(cur or SW1 or SW2 or SW3) begin case (cur)
リスト5.2 or SW1 or SW2 or SW3) begin case (cur) NORMAL: if(SW2) nxt <= SEC; else nxt <= NORMAL; SEC: if(SW2) nxt <= NORMAL; else if(SW3) nxt <=HOUR; else nxt <= SEC; HOUR: if(SW2) nxt <= NORMAL; else if(SW3) nxt <= MIN; else nxt<= HOUR; MIN: if(SW2) nxt <= NORMAL; else if(SW3) nxt <= SEC; else nxt <= MIN; default: nxt <= NORMAL; endcase end (デコード式) [0][0][1][0] [0][0] [0][0][0][1] [0][0][0][1] [0][0][0][1] [0][1] [0][0][1][0] [1][0][0][0] [0][0][1][0] [0][0][0][1] [1][1] [1][0][0][0] [0][1][0][0] [1][0][0][0] [0][0][0][1] [1][0] [0][1][0][0] [0][0][1][0] [0][1][0][0] [0][0][0][1]

4 ワン・ホット方式

5 デコード方式

6 Verilog-HDL グラフィック合成ほか
修士一年　赤津　実幸

7 主な説明事項 ・ モジュール同士を結線し、大規模回路をつくるグラフィッ ク合成の仕方を学ぶ ・ 制御信号の作り方 ・ ステートマシンの使い方

8 赤 計算例： x(1) + y(1) + c(0)⇒ cout(1) + s(0)
簡単な回路のグラフィック合成例 全加算回路(fulladder)　2個の半加算器と1個のＯＲ回路で形成 入力x,y 半加算器 出力ｓ 桁上げ出力cout 半加算器 ＯＲ回路 桁上げ入力c 赤　計算例：　x(1) + y(1) + c(0)⇒ cout(1) + s(0) 青　計算例:　x(1) + y(1) + c(1) ⇒ cout(1) + s(1)

9 大規模回路を記述するには 機能ごとのモジュールを作り、それぞれを結線して大規模化する

10 手順１－１ 半加算器、ＯＲ回路をつくる １．まず、fulladderをつくるのが目的なのでfulladderというプロジェクトを作成します。
手順１－１　半加算器、ＯＲ回路をつくる １．まず、fulladderをつくるのが目的なのでfulladderというプロジェクトを作成します。 ２．次にメニュー「Ｎｅｗ」欄からverilogファイルを追加し、半加算器のモジュールを作成します。ソースが書けたら、save asで保存し、名前は「halfadder.v」にするといいでしょう。 ３．halfadder.vを制作したら、Fileメニュー > Create/_Update > Create Symbol Files for Current Fileを選択すると、グラフィック合成でしようできるシンボルが作成されます。（成功すると下のようなダイアログが表示されます。） ４．ＮewメニューよりDevice Design Filesタグ内の Block diagram/Schematic Fileを選択し、グラフィックデザイン用ファイル「block1.bpf」を作ります。保存する際に名前をプロジェクト名と同じにする必要があります。今回はプロジェクト名が「fulladder」なので「fulladder.bdf」にします。

11 手順１－２ ５．手順４で作ったhalfadderのシンボルを呼び出します。赤丸部分を選択し、Symbolダイアログを呼び出します。Project内にhaifadderのシンボルが作成されています。これを選択し、ＯＫを押すと先ほどのグラフィックデザインファイルblock1.bdfに追加できるようになります。 ６．block1.bdfにhalfadderのシンボルをスタンプできるようになります。やめたいときは右クイックでＣancelできます。

12 手順１－３ ６．同じようにＯＲ回路をつくります。今回は名前は「f_or.v」にしました。

13 手順２－１　結線 １．全加算器は右のような構成になってますのでそのように結線する必要があります。また、全加算器の入出力が必要です。 結線ツールについて バスツール（多ビット用） モジュールのＩＮ、ＯＵＴのビット数に応じてワイヤーツールとバスツールを使い分けます。バスツールを使う場合は特殊で、8ビットの入力を作りたい場合、inputシンボルの名前を「　input [7..0]　」のように、名前のあとに何ビットのバスかを明記する必要があります。 ワイヤーツール（１ビット用）

14 input、outputシンボルについて
手順２－２　入出力 input、outputシンボルについて Symbol内のc:/altera~ > primitive > pinに入出力に必要なピン用シンボルがあります。ワイヤーツール、またはバスツールを用いてモジュールと結線されます。入力はinputピン、出力はoutputピンを使います。 6ビットの入出力バスではa[5..0]のようにpin名を変更します。 例　（下図0）　IQ_count_out[5..0] 入力例 出力例１ 出力例2

15 手順２－３ また、4ビットの出力output [3:0]qを作りたい場合、４つのoutputを用いてq[0],q[1],q[2],q[3]としても4ビット出力として認識されます。 下図は4ビット加算器です。入出力とも１ビットの入出力で構成されていますが、ピンの名前によって、4ビット入力 a,b　、　4ビット出力 qになっています。 多ビット入出力例

16 手順３－１　シミュレーション １．つくったblock1.bdfをプロジェクト名で保存します。fulladder.bdfはfulladder.vで作成したと同様、コンパイル、シミュレーションが可能です。

17 胎児モニタリング装置システム 1MHzの超音波を用い、胎児信号を取得する装置（主に胎児心拍、胎児呼吸様運動の信号） 音声回路 検波専用LSＩ
データ転送部 アナログ回路 検波専用ＬＳＩの主な役割 超音波1MHz Pulse送波 胎児信号をドプラの原理にて位相情報として取得、受信 受信信号から位相情報を取り出すため直交検波を行い、位相が90度ずれたＱＩ信号を取得する。 3200Hz 312.5us間隔で繰り返す

18 ＦＰＧＡ 検波回路内部モジュール構成 検波用ＦＰＧＡの主な機能 ・送波Pulse 送波数、タイミングの制御⇒８パルス送波
ＦＰＧＡ　検波回路内部モジュール構成 検波用ＦＰＧＡの主な機能 ・送波Pulse 送波数、タイミングの制御⇒８パルス送波 ・受信信号を直交検波し、位相情報を取り出す⇒ＱＩ信号の生成 ・ＦＩＦＯ＆ＵＳＢ側に検波信号の転送⇒ＰＣにデータ転送

19 直交検波について 受信信号の位相情報を取り出す 受信信号 ：超音波の中心周波数１ＭＨｚ Ｑ信号の生成 ：受信信号の位相情報（胎児信号）
これにsin(w0 t)をかけると 第一項を低域通過フィルタを用いて取り除く 位相情報が取り出せた Ｉ信号の生成 同じように受信信号にcos(w0t)をかけてやると Ｑ信号とＩ信号は位相が９０度ずれている。 Ｑ信号とＩ信号をつくることで情報が失われていないため元の受信信号を復元することができる。

20 ＦＰＧＡ 検波回路内部モジュール構成 controller
10MHz 外部CLK IN PLL 10MHz⇒20MHz controllerモジュール（制御回路） 各モジュールの動作タイミングを制御する制御信号を生成する。外部入力（スタート時のリセット信号、モード変更など）により動作を変更させることができる。

21 controllerモジュール制御信号 クロック20MHz 1クロック 0.05us 312.5us k_clr リセット信号
count_out　controller内部カウンタ transmit　transmitモジュール　送波pulse生成＆タイミング kernel_en　kernel_genモジュール　sin波＆cos波生成 selecter_1、q_result_save　detect_waveモジュール　ＱＩ信号生成タイミング mult_save　マルチプレクサ内のステートマシンの状態移行タイミング

22 制御信号生成回路 controllerモジュール
ＣＬＫ 各モジュールへ制御信号を出力 モード切替 input 12bit受信信号 一部は外部へ出力 リセット信号 装置スタート時に初期化する

23 ＦＰＧＡ 検波回路内部モジュール構成 Transmit
10MHz 外部CLK IN PLL 10MHz⇒20MHz transmitモジュール（送波パルス生成） controllerモジュールから制御信号transmitを受け取りONのとき送波pulseを生成する。 外部アナログ回路でなめらかな正弦波に精錬される。

24 ＦＰＧＡ 検波回路内部モジュール構成 kernel_gen
10M 外部CLK IN PLL 10MHz⇒20MHz kernel_genモジュール（正弦波生成） 受信信号と乗算するための検波用１ＭＨｚsin波とcos波を生成する。

25 ＦＰＧＡ 検波回路内部モジュール構成 sin_convert
10MHz 外部CLK IN PLL 10MHz⇒20MHz sin_convertモジュール（１２bit⇒１６bit） 外部ＡＤコンバータで12bitデータに出力される。内部で16bitデータとして扱うため、ビット数の変換をしている。

26 ＦＰＧＡ 検波回路内部モジュール構成 detect_wave
10MHz 外部CLK IN PLL 10MHz⇒20MHz Q信号用 detect_waveモジュール（検波） 位相情報を取り出し、Ｑ信号、Ｉ信号を生成する。 kerne_genで生成されたsin波、cos波を受信信号と乗算し、一定時間加算する。低域通過フィルタと同等の効果が得られる。 Ｉ信号用

27 ＦＰＧＡ 検波回路内部モジュール構成 multiplexer
10MHz 外部CLK IN PLL 10MHz⇒20MHz マルチプレクサ（ステートマシン） １０クロック間状態を維持し、次の状態に移行させる。Ｉ信号を10クロック(0.5us)間外部に出力し、Ｑ信号を次の10クロック(0.5us)間出力して、controllerで作られたstart_save信号が１のときこれを繰り返す。

28 マルチプレクサに送る制御信号 mult_save信号 マルチプレクサ内でstart_save信号として扱われる
controllerモジュールを分かりやすいように他の出力を切って見やすくした。 また、どのようなタイミングで出力されているか調べるために内部カウンタcounterを出力させた。 このＦＰＧＡでは312.5usごとに同じ動作を繰り返している。（内部カウンタを312.5usごとにリセットしている） 内部カウンタcounter　312.5us / 0.05us = 6250回までカウントできる。 クロック20MHz 1クロック 0.05us 312.5us mult_save信号　マルチプレクサ内でstart_save信号として扱われる

29 ステートマシン 312.5usの間にＩ信号とＱ信号の組を２０回生成している。また、 save_start制御信号が立ち上がってる間
1組のＱＩ信号生成し、0.5us間Ｉ信号出力、次に0.5us間Ｑ信号を出力する。 クロックは0.05usなので始め10クロック分はＩ信号、次の10クロック分はＱ信号を出力する。 Ｉ信号出力モード Ｑ信号出力モード 無出力モード の３通りの状態シフトがある。 クロック20MHz 1クロック 0.05us 312.5us

30 …..…..TO BE CONTINUED