ZADANI.md

Světelné efekty na FPGA a FITkitu

Zadání

Implementujte světelné efekty na maticovém displeji pouze s využitím FPGA. Aplikace se bude ovládat pomocí vestavěné vnitřního stavového automatu. Zobrazování bude realizováno pomocí maticového displeje 16×8 bodů, který bude možné zapůjčit. Na displeji se zobrazí obrázek, který se bude posouvat (rotovat) doleva či doprava. Směr se bude po třech iteracích měnit a na závěr proběhne jednoduchá animace.

Odevzdávání

Celý projekt je nutné odevzdat do 8. května 2023; jednotlivé podúkoly do termínů uvedených níže.

Ovládání

bez ovládání uživatelem. Projekt bude obsahovat ROM paměť se 4 stavy, které se budou cyklicky procházet. Pro každý počáteční stav se dokola bude pouštět tato smyčka:

• 3× rotace vašeho obrázku doprava (tj. 3×16 kroků)
• 3× rotace vašeho obrázku doleva (tj. 3×16 kroků)
• zmizení nahoru (tj rolování nahoru s tím, že se bude doplňovat odspodu nulami)
• spuštění vlastní animace

smyčka by měla proběhnout do dvou minut.

Specifikace

Při implementaci je možné použít nebo se inspirovat libovolným kódem z repozitáře projektu FITkit. Při přednáškách předmětu IVH budou všechny nutné prerekvizity vysvětleny.

Aplikace nebude mít žádný centrální řídicí prvek, ale bude obsahovat soustavu 16 sloupců, které budou navzájem propojeny a které spolu budou lokálně komunikovat. Každý sloupec bude mít na starosti řízení svitu osmi LED diod v jednom sloupci LED diody maticového displeje. Chování jednotlivých součástí je popsáno následovně. Od chování se můžete odchýlit (mimo podúkolů), je však nutné, aby byl dodržen koncept 16 samostatných sloupců tvořených konstrukcí for-generate.

Sloupec

• synchronní prvek
• generický popis pro N řádků
• stav buňky bude vyjádřen pomocí jednoho bitu (svítí / nesvítí)
• pokud bude posun vlevo / vpravo, tak se převezme stav od sousedů. Pokud se bude vyžadovat posun nahoru, provede se operace shift ve vnitřních stavech.
• signály entity
  • CLK - hodinový signál
  • RESET - resetovací signál
  • STATE - výstupní stav (N-bitový vektor)
  • INIT_STATE - vstupní stav (N-bitový vektor)
  • NEIGH_LEFT - stav souseda nalevo (N-bitový vektor)
  • NEIGH_RIGHT - stav souseda napravo (N-bitový vektor)
  • DIRECTION - posun vlevo nebo vpravo nebo nahoru - typu DIRECTION_T
  • EN - povolení provedení akce posunu

Ovladač chování

Navrhněte patřičný stavový automat.

Časovač

Pro generování povolovacích signálů, použijte generický zápis a správně vypočtěte, jakou hodnotu pro jakou frekvenci změn potřebujeme.

Výstupní řadič

Je použit pro řízení maticového displeje. Maticový displej má vstupy:

• A0-A3: 4bitová identifikace sloupce, se kterým se pracuje - řádky jsou propojeny přes hardwarový dekodér 74HC154W (4-to-8 decoder) - plníte čísly 000 až 111
• R0-R7: 8bitová hodnota udávající, který řádek (ve vybraném sloupci) má svítit

Zobrazování využívá tzv. multiplexingu, neboli zobrazování jednotlivých sloupců za sebou. V jednom taktu nastavíte A3-A0 na 000 a R7-R0 na požadovanou konfiguraci a určitou dobu počkáte (zvolte vhodnou obnovovací frekvenci, aby displej neblikal, ale byl čas pro rozsvícení LED). Pak nastavíte A3-A0 na 001 a R7-R0 na (jinou) hodnotu. A tak dále. Periodicky tento děj opakujete.

Pro propojení na FITKitu využijte mapování vektorů pro adresu sloupce a řádku na výstupní port X. Vycházejte ze schématu zapojení FITkitu.

Animace

Tato funkce může být implementovaná pomocí speciálního signálu do buňky (povolení animace) a např. generické proměnné, která říká, jestli buňka bude při animaci svítit, nebo bude zhaslá. Příkladem animace je to, že se např na 1 sekundu zobrazí “šachovnice” nebo “sudé řádky budou svítit”.

Dokumentace

Součástí řešení je stručná dokumentace, obsahující zejména odůvodnění použití různých konstant (zejména pro časovače). Dále by měla obsahovat výstup (screenshot) simulace kde budou zvýrazněny určité stavy a v textu zdůvodněno, jestli se komponenta chová správně. Simulace budou minimálně 4 - pro entitu sloupce, FSM řadič, ROM paměť a pro celý systém. Tyto simulace nemusí nutně obsahovat konstrukci assert. Součástí dokumentace bude odkaz na vámi natočené video funkční implementace s komentářem o délce max 2 minuty. Pro uložení můžete použít např. NextCloud, YouTube, Google Drive, atd.

Hodnocení

Projekt bude hodnocen následovně:

• První podúkol (až 10 bodů)
• Druhý podúkol (až 15 bodů)
• Ovládání sloupce a instanciace (až 20 bodů)
• Funkčnost posuvů (až 15 bodů)
• Funkčnost výstupní animace (až 10 bodů)
• Paměť a její testbench (až 10 bodů)
• Testbench FSM (až 10 bodů)
• Další rozšíření projektu (až 10 bodů)

Hodnocení bude zohledňovat funkčnost, efektivitu, přehlednost, dodržení zvyklostí jazyka VHDL a případná implementovaná rozšíření nad rámec zadání. V případě nejasností může být vyžadována osobní prezentace řešení.

Pro získání zápočtu je nutné získat více jak 50 bodů celkem a také minimálně 1 bod z obou podúkolů.

Podúkoly

1. Podpůrné funkce

Navrhněte a odevzdejte do IS VUT implementaci balíku effects_pack v souboru effects_pack.vhd, který bude obsahovat:

• funkci GETCOLUMN, která bere na vstupu jeden STD_LOGIC_VECTOR: DATA a dvě čísla typu integer: COLID, ROWS s tím, že bude vracet STD_LOGIC_VECTOR vybraný z vektoru o délce ROWS * COLS (neboli mapování souřadnic 2D pole do souřadnic 1D pole). Tento vektor bude indexovaný směrem nahoru (0 to ROWS*COLS-1). Pokud COLID bude větší, než je maximální možný počet sloupců (odvozeno z velikosti pole), vrátíte první (nultý) sloupec, pokud bude menší než 0, vrátíte poslední sloupec. Tím vám tato funkce pomůže při výpočtu sousedních hodnot.
• Výčtový typ DIRECTION_T, který bude obsahovat směr doleva (DIR_LEFT), doprava (DIR_RIGHT) a nahoru (DIR_TOP).
• Funkci navracející NEAREST2N nejbližší vyšší mocninu dvou k zadanému číslu.

Dále odevzdejte soubor effects_pack_tb.vhd, který bude pomocí konstrukce ASSERT testovat správnou funkci funkcí GETCOLUMN a NEAREST2N. Pro zjednodušení můžete počítat, že velikost vstupního vektoru GETCOLUMN je dělitelná počtem sloupců.

Termín: 13. 3. 2023

2. Čítač / časovač

Navrhněte a odevzdejte do IS VUT implementaci časovače (counter.vhd) a jeho testbench (counter_tb.vhd), který bude testovat jeho funkčnost. Kostru entit stáhněte z dokumentového skladu e-learningu. Čítač bude mít 3 enable výstupy (bude tříkanálový).

Čítač bude mít 3 generické parametry: OUT1_PERIOD, OUT2_PERIOD a OUT3_PERIOD (všechny POSITIVE). Například čítač s periodou OUT1_PERIOD = 3 aktivuje na právě na jeden hodinový cyklus signál EN1. Analogicky to bude fungovat i pro další dva kanály.

Napište testbench, který otestuje, že čítač opravdu za zvolený časový interval aktivuje signál EN1, EN2 i EN3. Testbench musí obsahovat funkci ASSERT pro testování. Počítejte s tím, že při zkoušení poběží testbench 100 ms.

Termín: 3. 4. 2023

Výsledný projekt

Výsledný odevzdávaný projekt bude projektem pro Xilinx ISE. Jeho kostra bude vložena v dokumentovém skladu ve e-learningu. Vaším úkolem bude implementovat celý projekt pro platformu Fitkit. Tento kit si můžete půjčit v knihovně. Programování a práce s kitem bude představena v samostatném semináři. Projekt pojmenujte ivh_projekt.

Pro řízení časového děje byste měli využít čítač, který jste navrhli ve druhém úkolu. Pokud nebyl správně, je nutné jej opravit. Odevzdávejte soubor display.zip, který bude obsahovat:

• všechny soubory VHD z projektu a soubor ivh_projekt.xise - neodevzdávejte složku build!
• všechny testbenche
• soubor doc.pdf, který bude obsahovat dokumentaci

Termín: 8. 5. 2023

Konzultace

Všechny potřebné informace k řešení projektu se dozvíte na přednáškách - některé přednášky budou organizované jako demonstrační cvičení, kde si na příkladu detailně ukážeme, jak při řešení projektu postupovat.

Další dotazy je možné řešit po přednášce nebo online po domluvě předem s Vojtěchem Mrázkem (mrazek@fit.vutbr.cz).