Registros De Desplazamiento Usando Fpga 683k72

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Estudio de los Registros usando FPGA Introducción La siguiente investigación se realiza con el fin de seguir reforzando el proyecto de trabajo de grado de maestría construcción de módulo de enseñanza de electrónica digital usando FPGA. El tema que toca ahora es Registros de Desplazamiento o Shift y fue seleccionado después de una preselección de temas hechos en base a la secuencia lógica que debería proseguir.

Diagrama que esboza todos los posibles temas a estudiar Después de haber desarrollado el tema de los Flip – Flops y el de CONTADORES se eligió el de Registros para continuar con la secuencia lógica de la investigación. Como este material se piensa sea didáctico se habla de todos los aspectos relacionados con el tema, aunque al final se termine teniendo una serie de líneas de código que pareciera que no dicen nada pero, si entendemos lo básico seguro se llega a entender más rápido la codificación. Por ejemplo, estar claros que un Registro es síncrono y necesita un reloj (clk  de Clock, reloj en Inglés) sirve para entender la codificación del clock en VHDL if (clock = ‘1’ and clock ‘event) then y también la del proceso en la descripción VHDL, ésta se hace así process(clk, reset, shift_load) lo que quiere decir que cualquier cambio en estas palabras claves ocurre una acción en la descripción. Estas líneas de comando se encuentran en todas las descripciones de VHDL correspondiente a Registros Digitales. En base a lo anterior, esta investigación arranca con el concepto de Registros digitales, luego se coloca el circuito integrado (IC) comercial TTL o CMOS con el que se construye dicho registro, luego vienen las descripciones en VHDL, su RTL y la simulación en QUARTUS II.

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

La siguiente figura resalta todos los aspectos que serán tocados en la investigación. Les informo que a partir de ahora en los siguientes trabajos las simulaciones de electrónica digital se harán en

Diagrama que esboza los temas relacionados a Registros digitales investigaciones separadas debido a la especialización y profundidad que se puede llegar a tener con los softwares actuales. Por ejemplo LOGISIM y el Simulador de Construcción de Circuitos Digitales, son muy completos y vale la pena dedicar más espacio a estos desarrollos. Un punto importante a partir de ahora es que se comienza a mencionar y se trabajará con más profundidad para las siguientes investigaciones son los llamados Diagramas de Estados. Como se ve, llegar a lo que parece lo más importante como FPGA – VHDL lleva su tiempo y hay obligatoriamente que tocar muchos puntos y aclarar muchos aspectos antes de establecer la codificación en VHDL. Después de hablar lo básico de Registros y mostrar los aspectos más relevantes viene la codificación del registro en VHDL. A cada codificación le sigue la síntesis y el RTL, que es el hardware producto del proceso de síntesis, dado por el software Quartus II. El siguiente diagrama muestra los aspectos de interés obtenidos con el Quartus II

Diagrama que esboza las cosas que se pueden hacer con el software Quartus II Se cierra la investigación con las conclusiones y las referencias de Internet.

Landaeta Pedro 2463

Pedro Landaeta Prof Jubilado de la uPT de aragua “fbf” NOVIEMbre 2018

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Concepto de Registros Digitales Son dispositivos digitales donde se obtiene almacenamiento temporal. Dado que la memoria y el desplazamiento de información son sus características básicas, los registros son circuitos secuenciales constituidos por Flip-Flops (FF), donde cada uno de ellos maneja un bit de la palabra binaria. Muchos registros usan FF tipo D aunque también es común el uso de FF JK. Son muy populares los de 8 bits, ya que en los computadores con frecuencia manipulan bytes de información

Registros de Desplazamiento Un registro de desplazamiento o corrimiento es un conjunto de FF conectados de tal forma que los números binarios almacenados en él son desplazados de un FF al siguiente con cada pulso de reloj aplicado. En la figura 1 se muestran todas las posibilidades existentes para construir registros de corrimiento. En la figura se observa que los datos se mueven hacia la derecha, pero también existen registros de desplazamiento que mueven sus datos hacia la izquierda y, también existen los bidireccionales.

Figura 1.- Figura que refleja todos los tipos de registros de desplazamiento existentes En la figura 2. Se observa la forma de conectar 4 FF tipo D para construir un registro. Note como la salida de un FF se conecta a la entrada de otro adyacente.

Figura 2.- Construcción de Registro básico

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Comentando la figura 2 se puede decir que corresponde a un registro de desplazamiento donde los datos se cargan en Serie y tienen la salida en Paralelo. Se conocen como Registros SIPO……de Serial Input – Parallel Output. Hay otros casos en que los datos se pueden cargar en serie y tener la salida también en serie, existen entonces los registros SISO. Así también se tienen los registros PISO y los PIPO. Todos ellos pueden desplazar sus datos a la derecha, izquierda o ser bidireccionales. La cantidad de bits lo dará la cantidad de Flip – Flops que pueda tener en su interior el Circuito Integrado (IC). Si los registros se construyen con FPGA prácticamente no hay límites en la cantidad de bits que posea el registro ya que las FPGA poseen normalmente miles de Flips – Flops (FF) en su interior. Por ejemplo la que se está usando en esta investigación posee 4068 FF.

Registros digitales en circuito Integrado (IC) Aquí se muestran los Registros TTL y los CMOS, una pequeña muestra. En el mercado existen actualmente varios circuitos integrados que desempeñan su función como registros, en esta sección se mencionarán algunos de estos registros disponibles en lógica TTL y CMOS. Circuito Integrado 74HC373 Este integrado contiene en su interior 8 Cerrojos o Latches tipo D con salidas triestado. En la figura 3 se observa el PINOUT. La descripción de sus entradas y salidas es la siguiente:  D0...D7: Entrada paralelo  Q0...Q7: Salida paralelo  LE: Latch Enable  OE: Output Enable

Circuito Integrado 74HC374 Este integrado contiene 8 Flip-Flops (FF) tipo D con salidas triestado sensibles al flanco de subida de la señal del Reloj. En la figura 4 se observa el PINOUT de este registro y su diferencia con el anterior Circuito Integrado es que este contiene FF.

Ya que lo más común en un registro de desplazamiento es que existan en cascada una serie de FFD, el IC 74HC374 es ideal porque posee 8 FFD en su interior. Su aplicación en registros y en la construcción de memorias es rápida y sencilla. EL IC 74HC373 es exactamente igual con la diferencia de que en su interior posee LATCHES. Entonces uno se habilita por flanco de CK y el otro por nivel.

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

A diferencia de los dos IC anteriores los fabricantes ofrecen circuitos integrados específicos para ser registros de desplazamiento. El que se estudiará a continuación es un registro de desplazamiento universal. El símbolo lógico para el registro de desplazamiento /universal de 4 bits, TTL 74194 se muestra en la figura 5. Este registro tiene 10 entradas y 4 salidas; estas últimas están conectadas a las salidas normales (Q) de cada Flip Flop en el circuito integrado.

Figura 5.- Registro de desplazamiento TTL 74194 El 74194 es un registro universal de desplazamiento bidireccional de 4 bits con una muy alta velocidad de operación y un bajo consumo de energía, cuenta con cuatro entradas paralelas (A,B,C y D) y cuatro salidas en paralelo (Q1, Q2, Q3 y Q4), una entrada serial para desplazamientos hacia la derecha y otra hacia la izquierda, un nivel bajo activa la entrada para borrado (clear), entrada de señal de reloj y dos entradas (S0 y S1) para seleccionar uno de los cuatro modos diferentes de operación del integrado, es decir si se desea operar como registro de desplazamiento PIPO, PISO (Entrada Paralelo-Salida Serie), SISO (Entrada Serie-Salida Serie) con desplazamiento hacia la izquierda, SISO (Entrada Serie-Salida Serie) con desplazamiento hacia la derecha o SIPO (Entrada Serie-Salida Paralelo). Los fabricantes de circuitos integrados disponen de gran variedad de registros de desplazamiento CMOS. El que se estudiará a continuación es el IC 74HC164 es un registro de desplazamiento de 8 bits entrada serie salida paralelo. El diagrama en bloques para el registro de desplazamiento CMOS 74HC164 se muestra en la figura 6, este IC viene encapsulado en forma de DIP de 14 patillas, trabaja con una fuente de alimentación de +5V DC y opera disparado con flanco de reloj y solo permite la entrada de datos serie. Contenido tomado de las siguientes direcciones web: https://es.idoub.com/doc/125964598/74194 http://www.ladelec.com/teoria/electronica-digital/395-registros-de-desplazamiento-ttl-y-cmos https://electrouni.files.wordpress.com/2010/08/registros.pdf

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Aplicación de los Registros Digitales a) b) c) d)

Retardo de tiempo Memorias Computadoras Microprocesadores

Otros Circuitos de Registros Digitales Contadores Digitales que se basan en Registros de desplazamiento El primero es un contador en anillo llamado contador Johnson, el cual tiene un funcionamiento similar al contador en anillo, con la diferencia que el estado del último biestable se realimenta al primero a través de un inversor. En al siguiente figura se observa el diagrama lógico de este contador.

Figura 7.- Contador Johnson de 4 bits

Aplicación del Contador Johnson Esta aplicación demuestra el uso de este contador ya que la flecha de la figura 8 se estará desplazando todo el tiempo mientras el circuito este alimentado. Importante para señalizaciones o para adornos. En ésta dirección se encuentra el video https://www.youtube.com/watch?v=b0vf-8SZ0lI

Figura 8.-Aplicación del Contador Johnson

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

https://www.ecured.cu/Contador_en_anillo https://allaboutfpga.com/vhdl-code-4-bit-ring-johnson-counter/

Contador de Anillo Constituye un registro de desplazamiento en el cual la entrada del 1er FF está condicionada por la salida del ultimo, constituyendo así una cadena cerrada. La información introducida inicialmente circula permanentemente por los biestables sin perderse. En vez de ello la información rota debido a que los biestables de los extremos se encuentran interconectados, de tal forma que los datos se desplazan en forma de anillo.

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

A continuación se presenta el código VHDL (VHDL code) para el contador de Anillo (Ring Counter)

https://www.ecured.cu/Contador_en_anillo https://allaboutfpga.com/vhdl-code-4-bit-ring-johnson-counter/

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Código de los diferentes Registros usando VHDL Descripciones en VHDL A continuación se muestra el listado de contadores hechos usando VHDL. Los ejemplos serán tomados de varias fuentes, entre los cuales está 1) El Texto: Introducción a los sistemas digitales. Un enfoque usando lenguajes de descripción de hardware. Autor: José Daniel Muñoz Frías Esta obra está bajo una licencia de Reconocimiento – No comercial – Compartir bajo la misma licencia 2.5 España de Creative Commons. https://openlibra.com/es/book/introduccion-a-los-sistemas-digitales La siguiente dirección tiene un universo de posibilidades para conseguir libros con licencias libres https://openlibra.com/es/ 2) Otra fuente son los videos del Prof Carlos Fajardo. Universidad Industrial de Santander – Colombia. La siguiente dirección web los llevará al video de Registros y Contadores digitales https://www.youtube.com/watch?v=vTmBuR-JgvM Nota: Reconocimiento al prof Carlos Fajardo de la Universidad Industrial de Santander. Ya que con sus videos he aprendido muchos detalles y técnicas para trabajar con VHDL.

Figura 9.- Estructura de un circuito secuencial síncrono

Primer ejemplo Registro de 1 bit

Figura 10.- Diagrama del hardware que se desea describir en HDL

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Figura 11.- Descripción en VHDL del hardware del Primer Ejemplo

Figura 12: Resultado de la síntesis del circuito.

Figura 13.- Señales de salida para el registro básico

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Segundo ejemplo Registro de corrimiento entrada paralelo y salida en paralelo

Figura 14.- Diagrama del hardware que se desea describir en HDL

Figura 15.- Descripción en VHDL del hardware del segundo Ejemplo

Figura 16.- Resultado de la síntesis del circuito Registro Entrada y salida Paralelo

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Figura 17.- Señales de salida para cada bit del Registro

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Tercer ejemplo Registro de corrimiento entrada serie y salida en paralelo

Figura 18.- Diagrama del hardware que se desea describir en HDL

Figura 19.- Descripción en VHDL del hardware del Tercer Ejemplo

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Figura 20.- Síntesis del circuito Registro Entrada Serie y salida Paralelo

Figura 21.- Señales de salida para cada Flip Flop (FF) del registro

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Cuarto ejemplo Registro de desplazamiento entrada serie y salida serie

Figura 22.- Diagrama del hardware que se desea describir en HDL

Figura 23.- Descripción en VHDL del hardware del Cuarto Ejemplo

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Figura 24.- Síntesis del circuito Registro Entrada Serie y salida Serie

Figura 25.- Señales de salida registro serie - serie

Figura 26.- Señales de salida del registro serie – serie con un nuevo T de entrada

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Quinto ejemplo Registro de desplazamiento entrada Paralelo y salida serie

Figura 27.Diagrama del hardware que se desea describir en HDL

Figura 28.- Descripción en VHDL del hardware del registro PISO

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Figura 29.- Síntesis del circuito Registro Entrada Paralelo y salida Serie

Figura 30.- Señales de salida del registro paralelo – serie (PISO)

Figura 31.- Salida del registro PISO con Variación del tiempo de Shift - Load

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Figura 32.- Salida del registro PISO con Variación del tiempo de Shift - Load

Para después: Registros de desplazamiento bidireccionales

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

Diagrama de Estado: Este muestra la secuencia de estados por los que pasa bien un caso de uso, un objeto a lo largo de su vida, o bien todo el sistema. Es una forma de representación gráfica más intuitiva de los autómatas finitos basadas en dígrafos con arcos acotados llamados transiciones en los cuales se ponen los símbolos de tránsito entre un vértice (estado) y otro y se identifican los estados de partida y los de aceptación del resto. Los diagramas de estados finitos son también representaciones más cómodas para su elaboración, legibilidad y comprensión de distintos tipos de abstracciones computacionales de reconocimiento como los autómatas de pila y las máquinas de Turing. Páginas web de referencias https://www.ecured.cu/Diagrama_d e_estado https://es.slideshare.net/faurbano/di seo-de-circuitos-secuenciales La figura 33 se explica por sí sola, y corresponde a un circuito secuencial. No debe confundirse los diagramas de estados que se quieren estudiar en esta guía y en las venideras con los diagramas de estado correspondiente a UML. Tienen el mismo nombre pero su aplicación y forma tienen otro rumbo y finalidad.

En Conclusión 1) Hay varios tipos de Registros de desplazamiento, por la variedad de formas de cargar los datos y su forma variante de poder obtener la salida ya sea en formato serie o paralelo. Todos los registros son síncronos. Tienen como punto de partida los Flip – Flops (FF). Los registros se pueden construir a base de FF, que vienen en IC o comprarlos ya convertidos en IC comerciales más especializados. 2) A nivel de software se van a construir los Registros usando VHDL. Ese programa o descripción que es la forma correcta de hablar en el mundo de las FPGAs se inserta en el chip FPGA y se tiene un Registro construido a base de códigos. 3) A todos los Registros les hace falta un reloj para darle su sincronismo. Este reloj se puede construir en base a IC 555 ó a cristales de cuarzo 4) Los registros que se pueden diseñar con FPGA puede ser de 32 bits, 64 bits ó mayor ya que con las FPGAs se puede contar con una cantidad muy alta de Flip – Flops, la CYCLONE II de INTEL FPGA cuenta internamente con 4068 FF, y esta es la de menor capacidad.

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

COMENTARIO Con respecto a las descripciones VHDL realizadas en cada tipo de registro de desplazamiento se puede decir que está realizado cada ejemplo sin mayor explicaciones ya que como siempre digo en cada una de las entregas anteriores que ya he hecho estoy en etapa de aprendizaje y solamente el hecho de lograr la meta pautada en cada trabajo me es suficiente. Luego en otras investigaciones posteriores se profundizará en cada tema. Lo importante aquí es que cada ejemplo funciona correctamente y cada uno está bien sustentado. Por ejemplo el libro de Pong Chu cuya imagen de la portada se presenta a la izquierda es referencia vital para entender la base del hardware de los sistemas secuenciales a los que se les va a aplicar una descripción en VHDL.

Espero con este material haber aportado a los interesados en conocer el tema de FPGA y VHDL Seguimos en o [email protected]

Ing Pedro Landaeta

LinkedIn https://www.linkedin.com/in/pedro-landaeta-17a7bb60/ Prof Jubilado con más de 25 años de servicio en la Universidad Politécnica Territorial del Estado Aragua “FBF”

Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Noviembre 2018

REFERENCIAS DE Internet Láminas de Power Point correspondientes a descripciones en VHDL de registros de Desplazamiento https://vdocuments.mx/registros-de-desplazamiento-56cc365a75e91.html Estas láminas fueron hechas en Universidad Industrial de Santander – Colombia. Colocado en Internet en Febrero de 2016 Esta página pertenece al prof Miguel Angel Perez Solano. Prof del Tecnologico Nacional de México http://solano.orgfree.com/

Libro: Introducción a la Programación en VHDL https://eprints.ucm.es/26200/1/intro_VHDL.pdf Licencia copyleft Descripción en VHDL de los contadores Johnson y de Anillo https://allaboutfpga.com/vhdl-code-4-bit-ring-johnson-counter/ Tutorial de circuitos secuenciales https://www.electronics-tutorials.ws/sequential/seq_5.html Registros Trabajo sobre el registro de desplazamiento universal 74194 https://es.idoub.com/doc/125964598/74194 LADELEC – Empresa Colombiana dedicada a dictar cursos y asesoría en electrónica http://www.ladelec.com/teoria/electronica-digital/395-registros-de-desplazamiento-ttl-y-cmos Universidad Nacional de Ingeniería - Nicaragua https://electrouni.files.wordpress.com/2010/08/registros.pdf Dirección web que contiene un pdf muy bueno en su explicación de registros en IC http://solano.orgfree.com/DISE%D1O%20DIGITAL%20CON%20VHDL/Registros.pdf Teoría básica de los contadores Johnson y de Anillo https://www.ecured.cu/Archivo:ConJJ.jpg