FPGA 설계 실습

정명진 , 서강수 지음

복두출판사 2016년 04월 19일 출간 종이책 : 2016년 03월 09일 출간

작품소개

책소개

▶ 이 책은 FPGA 설계 실습을 다룬 이론서입니다. FPGA 설계 실습의 기초적이고 전반적인 내용을 학습할 수 있도록 구성했습니다.

목차

학습 01 / VHDL 이란 ? 7
1.1 VHDL의 특징 7
1.1.1 VHDL의 장점 7
1.1.2 VHDL의 문제점 9
1.2 VHDL 설계 9
1.2.1 VHDL로 회로 구현 10
1.2.2 VHDL의 합성 10
1.2.3 배치 및 배선 11
1.2.4 VHDL의 시뮬레이션 12
1.3 VHDL 기초 및 문장 구성 12
1.3.1 VHDL의 식별어 12
1.3.2 VHDL의 예약어 14
1.4 VHDL 설계 구조 16
1.4.1 VHDL에서 사용하는 라이브러리 및 패키지 17
1.4.2 Entity 선언 18
1.4.3 Archtecture 26
1.4.4 연산자 30
1.4.5 데이터 객체형 37

학습 02 / 실습장비 및 VHDL 설계도구 사용법 40
2.1 실습장치 40
2.2 VHDL 설계도구 사용법 50
2.2.1 Xilinx ISE Design Suite 따라하기 50

학습 03 / 2-입력 논리게이트 설계 79
3.1 2-입력 논리게이트 79
3.2 VHDL 문법 80
3.2.1 process문 80
3.2.2 if～then～else 문 81
3.2.3 Component 문 82
3.2.4 대기문 (wait 문) 83

학습 04 / 3-입력 논리게이트 설계 95
4.1 3-입력 논리게이트 95
4.2 VHDL 문법 96
4.2.1 선택적 병행 처리문 96
4.2.2 조건적 병행 처리문 96
4.2.3 "with～select～when 문"과 "when～else 문"의 비교 97

학습 05 / 3-상태 논리게이트 설계 105
5.1 3-스테이트 버퍼 및 인버터 105
5.2 VHDL 문법 106

학습 06 / BCD-3초과 코드변환기 설계 122
6.1 BCD-3초과 코드 122
6.2 VHDL 문법 123

학습 07 / 연산회로 설계 132
7.1 가ㆍ감산기 132
7.1.1 반ㆍ가산기 132
7.1.2 전ㆍ가산기 133
7.1.3 전ㆍ가감산기 135
7.2 4비트 병렬 가산기 설계 138

학습 08 / 크기 비교기 설계 160
8.1 크기 비교기 160
8.1.1 1비트 크기 비교기 160
8.1.2 N비트 크기 비교기 160
8.2 패리티 발생기 및 검사기 161
8.2.1 4비트 패리티 발생기 162
8.2.2 4비트 패리티 검사기 163
8.3 VHDL 문법 164
8.3.1 단언문("Assert 문") 164
8.3.2 생성문("for～generate 문") 165
8.3.3 Sub Program 165

학습 09 / 디코더/인코더 설계 195
9.1 3?8 디코더 195
9.2 BCD-7세그먼트 디코더 196
9.3 인코더 설계 197

학습 10 / 멀티플렉서 설계 218
학습 11 / 플립플롭 설계 227
11.1 RS 래치 227
11.2 각종 플립플롭 228
11.3 VHDL에서 플립플롭 설계방법 230

학습 12 / 카운터 설계 260
12.1 카운터 260
12.2 신호 할당문 261

학습 13 / 레지스터 설계 292
학습 14 / 스테이트 머신을 이용한 설계 315
14.1 스테이트 머신 315
14.2 상태도, 상태표란? 317
14.3 VHDL을 이용한 스테이트 머신 표현 319

학습 15 / 라이브러리와 패키지 생성하기 330
15.1 라이브러리 330
15.2 패키지 332
15.3 구성 334

학습 16 / LED 표시기 및 키 매트릭스 스캔 357
16.1 LED 순차 점등하기 357
16.2 7-세그먼트 동적 디스플레이 방법 358

학습 17 / 교통신호등 제어기 설계 380

학습 18 / 디지털 시계 설계 386

학습 19 / 캐릭터 LCD/RGB LED 제어기 393
19.1 캐릭터 LCD 393
19.2 RGB LED 제어 396

학습 20 / 스텝모터 및 DC모터 제어기 설계 412
20.1 스텝 모터 412
20.1.1 스텝 모터 동작 방법 412
20.1.2 스텝 모터의 사양 414
20.1.3 스텝 모터 드라이버 415
20.2 DC 모터 416

학습 21 / DAC 설계 438

학습 22 / 전압계 및 온도계 만들기 445
학습 23 / EEPROM 읽기/쓰기 464
학습 24 / 데이터 통신 설계 481

책 속으로

머리말
최근 들어, 정부에서는 핵심 국정과제로 대학의 교육체제를 국가직무능력표준(NCS : National Competency Standards) 기반 교육과정 운영에 온 힘을 쏟고 있는 실정이며, 이를 효율적으로 운영하기 위해서는 국가차원에서 표준화한 NCS 기반 학습모듈이 반드시 필요합니다.

학습모듈은 수행준거에 의거하여 학습목표, 예비지식, 수행내용, 수행과제 평가, 피드백으로 구성되어 있어야 하므로, 이 교재는 기존 교재를 학습모듈의 형식 및 수행준거에 맞춰 재구성하였으며, 실습과제의 다양성에 중점을 두어 실습과제를 추가하여 재편집한 것으로 아직도 미미한 형편입니다.

최근 들어, 전기, 전자 및 정보 통신 분야의 발전은 매우 빠르고 복잡해지고 있으며, 반도체 및 하드웨어 설계 기술의 발전으로 그 응용 범위가 날로 확장되고 있습니다. 그리고 회로의 복잡도도 비약적으로 늘고 있어 이를 구현하기 위한 기술도 매우 복잡해지고 있는 추세입니다.

또한, 디지털시스템은 소형화와 고집적도가 필수이며, 이러한 설계를 위해 하위의 게이트 레벨부터 상위의 동작 레벨까지 하드웨어를 기술하고, 설계할 수 있는 하드웨어 기술언어인 VHDL(VHSIC Hardware Description Language)이 등장하였습니다. 그리고, 이를 지원해 줄 수 있는 다양한 설계 Tool의 등장으로 복잡한 회로도 체계적으로 설계할 수 있게 되었습니다. 그리하여 VHDL은 IT 관련분야 업체에서 학생들이 습득해야할 지식 또는 기능으로 가장 많이 요구하는 것들 중의 하나입니다.

따라서, 이 교재는 VHDL을 이용한 FPGA 설계기술을 습득하고자 하는 많은 분들에게 작으나마 도움을 주고자 ㈜엠피에프테크사가 디지털시스템 설계에 대한 실습교육 및 일선 산업현장에서도 기술자들이 디자인한 설계를 바로 Emulation해 볼 수 있도록 제작한 ASIC Training Kit인 MPF-FPGA-SP6을 사용하여 실습하도록 저술하였습니다. 이론에 대해서 너무 많은 것을 설명하기보다는 실습예제를 통하여 단계적으로 VHDL의 문법을 이해하고, 활용할 수 있도록 구성하였으며, 본 교재에서 사용하는 설계 Tool은 Xilinx사에서 제공하는 “ISE Design Tool”을 이용하여 시뮬레이션만으로도 설계한 결과를 검증할 수 있도록 구성하였습니다. 그리하여 이 책을 처음부터 끝까지 익히고 나면 VHDL을 이용하여 사용자 자신이 의도한 기능들을 갖춘 디지털 시스템을 쉽게 설계할 수 있을 것입니다.

부디 이 한 권의 책이 배우고자하는 여러분의 길잡이가 되기를 간절히 바라며, 끝으로, 본 실험 가운데에는 무리한 풀이가 없지 않을 것이나, 동학 선배 및 동료 여러분의 많은 지적과 편달을 바랍니다. 짧은 기간임에도 불구하고 이 책의 출판을 위하여 정성을 다해 주신 복두출판사의 송광헌 사장님과 편집자 여러분께 감사드립니다. 마지막으로 디지털 시스템 설계 기술을 필요로 하는 공학도 및 현장 기술자들에게 미력하나마 도움이 되기를 간절히 바랍니다.

2016. 1월
著者 씀

작가정보

저자(글) 정명진

저자(글) 서강수