Проектирование реконфигурируемых систем в LabVIEW FPGA (6000,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Е.Д. Баран, А.Ю. Романов реконфигурируемых систем в LabVIEW FPGA Проектирование

Стр.2

УДК 621.3 ББК 32.372 Б24 Баран Е.Д. – старший преподаватель кафедры систем сбора и обработки данных Новосибирского государственного технического университета; Романов А.Ю. – канд. техн. наук, доцент Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики». Б24 Проектирование реконфигурируемых систем в LabVIEW FPGA. – М.: ДМК Пресс, 2023. – 646 с.: ил. Баран Е.Д., Романов А.Ю. ISBN 978-5-93700-170-2 В этой книге изложены основы проектирования реконфигурируемых систем в среде графического программирования LabVIEW, дополненной модулем LabVIEW FPGA. Приведен обзор разновидностей ПЛИС, модулей ввода-вывода классической архитектуры и модулей с реконфигурируемыми каналами вводавывода производства National Instruments. Рассмотрены основные компоненты и инструменты среды проектирования, на реальных примерах показана методика разработки и отладки распределенных и встраиваемых систем измерения, управления и тестирования. Описан полный цикл проектирования, включая этапы создания исполняемых файлов и инсталляторов, а также развертывания систем на целевых устройствах. Содержание книги отражает опыт разработок, выполненных в учебном центре «Центр технологий National Instruments» Новосибирского государственного технического университета, опыт обучения на курсах повышения квалификации и преподавания соответствующих дисциплин студентам. Книга, которую вы держите в руках, продолжает серию «Книжная полка Истового Инженера», которая издается при поддержке компании YADRO. Это издание подготовлено к публикации Московским институтом электроники и математики им. А. Н. Тихонова НИУ ВШЭ совместно с «ДМК Пресс». УДК 621.3 ББК 32.372 Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. ISBN 978-5-93700-170-2 © Баран Е.Д., Романов А.Ю., 2023 © Редактирование, НИУ ВШЭ, 2023 © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2023

Стр.3

Содержание Отзывы о книге ...................................................................................................8 Об авторах .........................................................................................................10 Предисловие Е.Д. Барана .................................................................................12 Предисловие А.Ю. Романова ............................................................................16 Благодарности ..................................................................................................19 Глава 1. Программируемые логические интегральные схемы .... 20 1.1. Простые программируемые логические устройства ...............................22 1.2. Технологии программирования ПЛИС .....................................................26 1.3. Пограничное сканирование и JTAG-интерфейс ......................................28 1.4. Сложные программируемые логические устройства ..............................32 1.5. Оперативно программируемые логические матрицы ............................37 1.6. Сравнение архитектур ПЛИС ....................................................................44 1.7. Современные программируемые логические схемы Xilinx FPGA 7-й серии .......................................................................................46 1.8. Средства проектирования цифровых устройств на ПЛИС......................51 1.9. Применение ПЛИС .....................................................................................61 1.10. Заключение ...............................................................................................65 Глава 2. Устройства ввода-вывода ................................................. 66 2.1. Многофункциональные модули ввода-вывода классической архитектуры ..............................................................................68 2.1.1. Блок аналогового ввода ......................................................................70 2.1.2. Блок аналогового вывода ...................................................................73 2.1.3. Блок цифрового ввода-вывода...........................................................74 2.1.4. Блок таймерного ввода-вывода .........................................................76 2.1.5. О взаимодействии блоков многофункционального модуля вывода-вывода .............................................................................................77 2.2. Модули ввода-вывода со встроенным кондиционированием сигналов ............................................................................................................79 2.3. Модули ввода-вывода С-серии .................................................................84 2.4. Реконфигурируемые модули ввода-вывода серии R ...............................89 2.5. Реконфигурируемые модули ввода-вывода серии FlexRIO ....................92 2.6. Заключение ................................................................................................97 Глава 3. Виртуальные измерительные приборы и программное обеспечение National Instruments .................... 98 3.1. История появления LabVIEW ..................................................................100 3.2. Основные свойства LabVIEW ..................................................................101

Стр.4

4  Содержание 3.3. История развития технологии виртуальных измерительных приборов .........................................................................................................105 3.4. Measurement and Automation eXplorer ...................................................107 3.4.1. Создание симулируемых устройств ввода-вывода ........................109 3.4.2. Конфигурирование и тестирование симулируемых устройств ввода-вывода .............................................................................113 3.4.3. Конфигурирование и тестирование реальных устройств ввода-вывода ..............................................................................................120 3.4.4. Создание задачи ................................................................................122 3.4.5. Конфигурирование программного обеспечения среды проектирования..........................................................................................129 3.4.6. Конфигурирование сетевого окружения .........................................133 3.5. Заключение ..............................................................................................137 Глава 4. Организация среды проектирования LabVIEW ...........138 4.1. Запуск LabVIEW. Начало работы .............................................................141 4.2. Создание проекта .....................................................................................145 4.3. Редакторы для проектирования программ LabVIEW ............................149 4.4. Инструменты редакторов программ ......................................................151 4.4.1. Инструментальные линейки кнопок ...............................................151 4.4.2. Палитра инструментов Tools Palette ...............................................154 4.4.3. Объекты программ LabVIEW. Пример программы .........................156 4.4.5. Палитра объектов лицевой панели Controls Palette .......................163 4.4.6. Палитра объектов блок-диаграммы Functions Palette....................176 4.5. Заключение ..............................................................................................201 Глава 5. Техника программирования в среде LabVIEW ............202 5.1. Разработка лицевой панели и настройка объектов лицевой панели ......203 5.1.1. Настройка свойств объекта из контекстного меню ........................207 5.1.2. Задание свойств объекта в окне Properties .....................................210 5.1.3. Массивы и кластеры на лицевой панели .........................................212 5.2. Разработка блок-диаграммы ...................................................................215 5.2.1. Соединение узлов блок-диаграммы. Первая программа ...............218 5.2.2. Техника проектирования программ. VI генератора сигналов ..............................................................................221 5.2.3. Разработка пиктограммы VI ............................................................222 5.2.4. Вызов подпрограмм subVI. Цикл While. Ошибки проектирования ...........................................................................227 5.3. Техника отладки программ в LabVIEW ...................................................232 5.3.1. Устранение ошибок до компиляции, или Почему в LabVIEW мало грубых ошибок ................................................................232 5.3.2. Отладка программ с помощью пробников и контрольных точек .... 233 5.3.3. Средства пошаговой отладки программ. Анимация выполнения программы ..........................................................238 5.3.4. Кластер ошибок. Интерпретация ошибок выполнения программы ..................................................................................................240 5.3.5. Помощь в среде проектирования LabVIEW .....................................242

Стр.5

Содержание  5 5.4. Разработка блок-диаграммы. Основные структуры ..............................245 5.4.1. Структуры итерационной обработки данных (циклы While и For) ....................................................................................245 5.4.2. Туннели и регистры сдвига ..............................................................247 5.4.3. Разработка блок-диаграммы. Продолжение ...................................251 5.4.4. Структура выбора ..............................................................................253 5.4.5. Управление свойствами объектов ...................................................254 5.4.6. Переменные в LabVIEW ....................................................................257 5.4.7. Обмен данными с использованием Channel Wire ..........................259 5.5. Программирование операций ввода-вывода ........................................264 Глава 6. Архитектура реконфигурируемых систем измерения и управления ...............................................................272 6.1. Компоненты реконфигурируемых систем .............................................274 6.2. Системы на основе модуля R-серии .......................................................277 6.3. Высокопроизводительные системы на платформе FlexRIO .................279 6.4. Системы на платформе CompactRIO ......................................................282 Глава 7. Среда проектирования реконфигурируемых систем ....290 7.1. Особенности среды LabVIEW FPGA .........................................................292 7.2. Генерация кода, загружаемого в FPGA ....................................................293 7.3. Палитра Controls LabVIEW FPGA .............................................................294 7.4. Палитра Functions LabVIEW FPGA ...........................................................296 7.4.1. Субпалитра функций обработки данных .........................................298 7.4.2. Субпалитра функций управления Control .......................................301 7.4.3. Субпалитра Utilities ...........................................................................306 7.4.4. Субпалитра High Throughput Math ...................................................309 7.4.5. Субпалитра матричных вычислений ...............................................312 7.4.6. Экспресс-функции субпалитры FPGA Math & Analysis...................313 7.4.7. Субпалитра ввода-вывода FPGA I/O .................................................314 7.4.8. Субпалитра узлов для работы с памятью FPGA ...............................319 7.4.9. Функции управления таймингом. Субпалитра Timing FPGA .........326 7.4.10. Субпалитра функций синхронизации задач в FPGA .....................328 7.4.11. Интеграция IP в FPGA VI .................................................................330 7.5. Методы и средства отладки FPGA-приложений .....................................332 Глава 8. Разработка реконфигурируемых систем в LabVIEW ....338 8.1. Этапы разработки реконфигурируемых систем ....................................339 8.1.1. Создание проекта системы на основе модуля R-серии ..................341 8.1.2. Программирование целевой платформы. Разработка FPGA VI .....346 8.1.3. Тактирование и синхронизация в FPGA ..........................................358 8.2. Сборка и компиляция FPGA VI ................................................................362 8.3. Параллелизм выполнения операций в FPGA .........................................373 8.3.1. Разделяемые ресурсы .......................................................................378 8.4. Оптимизация FPGA VI .............................................................................384 8.4.1. Оптимизация ресурсов FPGA ...........................................................385 8.4.2. Оптимизация производительности FPGA VI ..................................388

Стр.6

6  Содержание Глава 9. Управление FPGA VI. Разработка Host VI ......................394 9.1. Субпалитра FPGA Interface ......................................................................398 9.1.1. Функция Invoke Method ....................................................................402 9.2. Программный обмен данными через элементы лицевой панели .......405 9.2.1. Обработка событий интерфейса оператора. Структура Event .......411 9.3. Обмен данными по прерываниям ..........................................................416 9.4. Обмен данными с использованием канала прямого доступа к памяти ............................................................................................420 Глава 10. Обработка данных в приложениях LabVIEW FPGA .....428 10.1. Фильтрация ............................................................................................429 10.1.1. Применение экспресс-функций для фильтрации в FPGA VI .......430 10.1.2. Разработка Host VI для Filter_FPGA.vi ............................................435 10.1.3. Разработка нестандартных фильтров ............................................438 10.1.4. Тестирование FPGA приложений. FPGA Desktop Execution Node .... 449 10.2. Быстрое преобразование Фурье в FPGA ...............................................455 Глава 11. Стандартные интерфейсы для работы с периферийными устройствами. Комплексное тестирование приложений ...................................462 11.1. Интерфейс SPI в FPGA ............................................................................466 11.2. Разработка SPI Master в FPGA на основе шаблона конечного автомата ..........................................................................................................471 11.3. Интерфейс I2C в FPGA ...........................................................................477 11.4. Логический анализатор .........................................................................484 11.5. Тестирование разработанных устройств ..............................................509 11.6. Дополнения и выводы ...........................................................................516 Интерфейсы ................................................................................................516 Логический анализатор .............................................................................517 Глава 12. Измерение неэлектрических величин. Расширение систем, выполненных на модулях R-серии ........520 12.1. Системы на основе модуля R-серии с шасси расширения и модулями С-серии .......................................................................................522 12.2. Программирование модулей С-серии. FPGA VI ...................................530 12.3. Программирование модулей С-серии. Host VI ....................................532 Глава 13. Разработка встраиваемых и распределенных систем на платформе cRIO ............................................................544 13.1. Модели программирования систем CompactRIO ................................547 13.2. Компоновка контроллера cRIO .............................................................550 13.3. Создание и компоновка проекта ..........................................................552 13.4. Конфигурирование компонентов проекта ...........................................556 13.5. Разработка FPGA VI ................................................................................563

Стр.7

Содержание  7 13.6. Организация обмена данными между контроллером и компьютером ...............................................................................................566 13.6.1. Тестирование обмена данными в распределенной системе .......576 13.7. Разработка RT VI .....................................................................................578 13.8. Разработка PC VI ....................................................................................583 13.9. Тестирование ..........................................................................................589 Глава 14. Создание и развертывание исполняемых файлов .....592 14.1. Создание и развертывание двоичного файла, исполняемого в FPGA .....................................................................................593 14.2. Создание и развертывание исполняемого файла для выполнения на контроллере cRIO ..........................................................596 14.3. Создание приложения для выполнения на компьютере ....................599 Глава 15. Генерация HDL из проекта LabVIEW FPGA .................614 15.1. Установка LabVIEW FPGA IP Export Utility ............................................615 15.2. Начало работы с LabVIEW FPGA IP Export Utility .................................615 15.3. Элементы управления и индикаторы ...................................................618 15.4. Экспорт IP-блока ....................................................................................620 15.5. Описание портов IP-блока ....................................................................623 15.6. Использование IP-блока в проекте Vivado ...........................................624 15.7. Сопряжение IP по AXI ............................................................................627 15.8. Запуск поведенческого моделирования ...............................................628 15.9. Использование однократно запускаемого IP-блока............................628 15.10. Работа с множественными доменами тактовых сигналов ................629 15.11 Экспорт HDL-кода в САПР других производителей ПЛИС .................633 Заключение .....................................................................................................634 Список литературы .........................................................................................638

Стр.8