Ziel dieses Versuches ist es, die Funktionalität einer Ampelsteuerung in eine FPGA-Struktur zu implementieren. In diesem Zusammenhang soll das Verständnis für den gesamten VLSI Designablauf vertieft werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Designschritten bis zur Logiksynthese.

• 3.1. Welche Designschritte sind notwendig um eine gegebene Problematik in eine FPGA-Struktur zu überführen?
• 3.2. Erläutern Sie das Y-Diagramm nach Gajski und Kuhn und ordnen Sie die entsprechenden Designschritte ein!
• 3.3. Nennen und erläutern Sie verschiedene Simulations-Methoden im Designzyklus bis zur Logiksynthese!
• 3.4. Erläutern Sie den prinzipiellen Aufbau einer VHDL-Beschreibung!
• 3.5. Worin besteht der Unterschied zwischen einer VHDL-Strukturbeschreibung und einer VHDL-Verhaltensbeschreibung?
• 3.6. Wie kann eine geeignete Programmierung von Zustandsmaschinen in VHDL erfolgen?
• 3.7. Wie unterscheidet sich die "2-Prozess Methodik" von einer herkömmlichen VHDL-Beschreibung? Was sind Vor- und Nachteile?
• 3.8. Erläutern Sie Aufbau, Programmierung und Funktionsweise eines XILINX-FPGAs!

• 4.1.1. Skizzieren Sie die den Zustandsgraphen eines 3-Bit-Zählers, der durch ein Reset-Signal jederzeit in den Zustand "Null" versetzt werden kann!
• 4.1.2. Erweitern Sie den Zustandsgraphen, so daß dieser entsprechend der Eingangskombinationen 101 und 011 in die jeweiligen korrespondierenden Zustände versetzt wird!
• 4.1.3. Entwerfen Sie den Zustandsgraphen für eine Ampelsteuerung von zwei Ampeln einer Kreuzung, die keine Phasenlängen der einzelnen Zustände beachtet. Dabei soll in Abhängigkeit eines Eingangssignals ein Tag- und Nachtbetrieb (Blinken des Signals "Gelb") möglich sein! Zwischen den Betriebsarten ist nur aus sicheren Ampelzuständen zu wechseln.

• 4.2.1. Entwickeln Sie einen Zustandsgraphen für die Ampelsteuerung einer einfachen Straßenkreuzung (ohne Fußgänger- und Abbieger-Ampeln), die folgenden Bedingungen genügt:
  • Die Ampel soll in Abhängigkeit eines Eingangssignals für den Tag- und den Nachtbetrieb ausgelegt sein, der Übergang zwischen Tag- und Nachtbetrieb soll von bzw. in sichere(n) Ampelzustände(n) erfolgen..
  • Die Phasenlängen der einzelnen Ampelzustände sollen unterschiedlich und dem jeweiligen Zustand angemessen ausgelegt sein. Realisieren Sie die genannten Forderungen durch die Integration eines entsprechenden Timers.

• 4.2.2. Entwickeln Sie ein Blockschaltbild, welches alle notwendigen Signale und geeignet partitionierte Submodule enthält!
• 4.2.3. Setzen Sie die Struktur schrittweise in eine VHDL-Beschreibung um. Dabei ist die "2-Prozess Methodik" zu verwenden. Entwickeln Sie geeignete Simulationsstrategien für die Submodule und die gesamte Schaltung! Dabei ist auf die Wiederverwendbarkeit der Simulationselemente zu achten!
• 4.2.4. Verifizieren und validieren Sie Ihre Lösung hinsichtlich einer optimalen Hardwareimplementierung! Erzeugen Sie die notwendigen Reports für die Syntheseergebnisse!

Templates:

• ampel.ucf
• makros.vhd
• syslog.vhd