アルテラ社のＣＰＬＤを使ってみる

「Quartus II」については、書籍やＷＥＢサイト、トラ技等で詳しく解説しているので参考にするといいと思います。
バージョンにより操作方法は異なりますが、参考までに、私の使っている「Quartus II 8.1 Web Edition」では、操作手順は下記の通りです。

「Quartus II 8.1」の操作手順１　プロジェクトの作成　

「Quartus II 8.1」の操作手順２　ＶＨＤＬプログラムの作成　

トップのエンティティ名は、プロジェクトの作成で入力した名前と一致している必要があるので、他のプロジェクトで使っているＶＨＤＬを
コピーして使う場合は、コピーしたＶＨＤＬソース上のトップのエンティティ名は修正しないとコンパイルエラーになります。

「Quartus II 8.1」の操作手順３　ピンアサイン

「Quartus II 8.1」の操作手順４　自作ケーブル（ByteBlaster　MV）による書き込み

※自作ケーブルを使用するためには、事前にドライバーをインストールしておく必要があります
ドライバーは、「Quartus II 8.1」をインストールしたフォルダにあります。
・・・\ALTERA\81\quartus\drivers\win2000\win2000.inf　　※Windows2000／WindowsXP用を
「サウンド、ビデオ、およびゲームコントローラ」を指定してインストールします。
ドライバーのインストールについては、パソコンの動作が不安定になる可能性がありますので、
必ず、書籍やＷｅｂサイトで解説されているインストール方法を参照して下さい。

アルテラ社のＭＡＸシリーズを使ってみる

ＭＡＸシリーズの種類（アルテラ社のホームページより一部抜粋）　

　　アルテラ社のＭＡＸ３０００Ａシリーズを使ってみる

ＭＡＸ３０６４Ａの写真

秋月電子の変換ボードに取り付けたイメージ

ＭＡＸ３０６４ＡＴＣ４４のピン配列
ＴＱＦＰパッケージの場合です。ＰＬＣＣパッケージではピン配列が異なります

　　　　　●実験ボード・タイプ１(EPM3064ATC44-10)

　　　　　　　　ＭＡＸ３０６４Ａを使った簡単な実験ボードを作ってみました。
　　　　　　　　ＭＡＸ３０００Ａファミリーは、数百円程度から購入できますし、ザイリンクス社のＸＣ９５００ＸＬファミリー同様、ＶＨＤＬの学習や、
　　　　　　　　趣味の分野にも最適だと思います。

　　　　　　　　Ｉ／Ｏピンの出力は、−２５〜＋２５ｍＡなので、いくつものＬＥＤを同時に点灯するような使い方をしないのなら、抵抗を通して
　　　　　　　　直接ＬＥＤをつなぐ事もできます。
　　　　　　　　ＭＡＸ３０００Ａファミリーは電源電圧が３．３Ｖですが、５ＶトラレントＩ／Ｏになっているので、５Ｖロジックの入力が可能です。
　　　　　　　　また、ＶＣＣＩＯの電圧を２．５Ｖに設定する事でも、３．３Ｖや２．５Ｖデバイスが混在する環境でも使用する事ができますが、
　　　　　　　　通常は、ＶＣＣＩＯは３．３Ｖで使用します。※注）下記の表を参照
　　　　　　　　デバイスのスピードは、グレードにより異なりますが、使用した−１０（最も遅いスピードグレード）でも１００ＭＨｚ程度は期待でき
　　　　　　　　そうです。※注）下記の表はＣＰＬＤのスピードとは関係ありません。

ＭＡＸ３０００Ａシリーズのマニュアルより抜粋

写真（表面／ソケットを外したイメージ／裏面）　

回路図　

　�@ルーレットアダプタをつないでみる（その１）

　　　基板の確認のため、ＰＩＣで使ったルーレットアダプタをつないでみました。

　　　サンプル�@は、ＳＷ１を押すと８個のＬＥＤが点灯するだけのものです。
　　　ＳＷ２は使用していないので、ＳＷ２ボタンを押してはいけません。

　　　サンプル�Aは、ＳＷ１を押すと８個のＬＥＤが回転するものです。
　　　このサンプルでは何のチャターリング対策もしていないので、ボタンの押し方によっては、ルーレットが何ステップも進む事があります。
　　　ＳＷ２は使用していないので、ＳＷ２ボタンを押してはいけません。

　　　サンプル�Bは、ＳＷ１、ＳＷ２を２入力の論理回路（INVERT、AND、OR、NAND、NOR、XOR、XNOR）に入力して、該当するＬＥＤを点灯する
　　　もので、入力パターンにより点灯するＬＥＤが変化します。
　　　このサンプルは、ＳＷ１とＳＷ２を使用します。

　　　サンプル�Cは、ＳＷ１、ＳＷ２を使ったフリップフロップ回路で、ＴＴＬ論理ＩＣが一般的に使われていた昔は、２接点のマイクロスイッチと組み
　　　合わせてチャッターリング防止で一般的に使われていたものです。
　　　（当時の回路はＧＮＤ入力だったので、入力のインバータはありませんでしたが）。
　　　追加でＬＥＤ＿２〜４はＳＷ１、ＬＥＤ＿５〜７はＳＷ２が押されると点灯するようにしてあります。
　　　このサンプルは、ＳＷ１とＳＷ２を使用します。

写真、回路図
※電源が３．３Ｖなので、ＬＥＤは赤以外では点灯しません。

７４ＨＣ２４５ＡＰのイメージ

ピンアサイン　（サンプル�@、サンプル�A）

ピンアサイン　（サンプル�B、サンプル�C）

サンプル�Bのイメージ図

サンプル�Cのイメージ図

sample1.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)

sample2a.vhd

サンプル�A　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語) 　※メイン

sample2b.vhd

サンプル�A　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語) 　※８進ＢＣＤカウンター部

sample2c.vhd

サンプル�A　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語) 　※ＢＣＤデコーダー部

sample3.vhd

サンプル�B　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)

sample4.vhd

サンプル�C　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)

　�Aルーレットアダプタをつないでみる（その２）

　　　実験ボードを修正して、プッシュスイッチを３個にしたものです。

　　　サンプル�@は、シフトレジスタを使って、３線でＣＰＵからデータの連動をする事を想定したものです。
　　　データ（ＳＷ１）でデータビット（１か０）を指定し、クロック（ＳＷ２）ボタンを押すと、クロックの立ち上がりでデータビットが
　　　読み込まれ、シフトしてデータが設定されていきます。
　　　モードボタン（ＳＷ３）を押すと、読み込まれたデータが出力されます。
　　　リセットボタンはないので、データビット数以上のクロックを与える必要があります。

写真、回路図
上記サンプルに、ＳＷ３を追加しただけです。
電源が３．３Ｖなので、ＬＥＤは赤以外では点灯しません。

ピンアサイン　（サンプル�@）

sample1a.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語) 　※メイン

sample1b.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語) 　※シフトレジスター部

　�BＳＩＮ波を発生させてみる

　　　Ｒ−２Ｒ型のＤＡコンバータをつないでＳＩＮ波を発生させてみました。

　　　サンプル�@は、ＣＰＬＤに８ビット２００ステップのＳＩＮデータを設定して、２００進カウンタと組み合わせたものです。
　　　入力されたクロックの２００分の１の周波数のＳＩＮ波を出力します。
　　　クロックは３．３Ｖなら何でもよいのですが、このサンプルでは、１２Ｆ１８２２を使ったオシレータでテストしています。
　　　このオシレーターの詳細は、 「ＰＩＣ奮闘記　第三章」で取り上げています。
　　　クロックは１００ＭＨｚ程度まで（５００ＫＨｚのＳＩＮ波が出力される）可能な筈なのですが、実際には、おそらく安価で３．３Ｖレール
　　　ＴＯレール単電源に対応できるＯＰアンプや、ＤＡコンバータの制約、その他で、周波数が高くなると波形が崩れてきます。　

　　　ＳＩＮ波のデータは、これを手計算で作成するのは大変なので、簡単なツールを作っておくと便利です。
　　　紹介するほどのプログラムでもないのですが、私の場合は、ＣＹＧＷＩＮで動作するＣ言語プログラムで、この類のデータはファイル
　　　まで自動作成しています。※サンプル�A
　　　例えば、ＶＨＤＬプログラムのデータ数を１００に変更する場合は、このツールの「ＰＩ＿ＭＡＸ＿ＤＡＴＡ」を５０に変更して実行すれば、
　　　「ｗｏｒｋ．ｄａｔ」というファイル名で、データ部分を自動作成するので、これをエディターで開いてＶＨＤＬプログラムにコピーすれば、
　　　ＳＩＮ波データ部分の記述は完了します。
　　　ＣＹＧＷＩＮの詳細は、 「（別室）Ｃｙｇｗｉｎのページ」で取り上げています。

写真、回路図

オシロスコープによる出力波形のイメージ

ピンアサイン 　

ＳＩＮ波データの作成ツール
プログラムを実行すると、「ｗｏｒｋ．ｄａｔ」というファイル名でデータファイルが作成される

sample1.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)

GEN_SIN.c

サンプル�A　ＳＩＮ波データの作成ツール　Ｃｙｇｗｉｎ用(Ｃ言語)

　�Cプログラマブルオシレータ（１５３[Ｈｚ]〜２０[ＭＨｚ]）にしてみる

　　　ＰＩＣ（１２Ｆ１８２２）をつないで、プログラマブルなオシレータにしてみました。
　　　水晶をＣＰＬＤで分周しているので、ＣＰＵで作った場合に比べて、高精度（６桁精度）で周波数が高い（２０ＭＨｚ）のものが
　　　容易に作れます。

　　　サンプル�@は、パソコンのハイパーターミナルから周波数（１５３〜２０００００００[Ｈｚ]）を入力してスペースキーを押すと、
　　　ＰＩＣで分周回数を計算して３線でＣＰＬＤに送信し、ＣＰＬＤが４０ＭＨｚの水晶発振モジュールの出力を分周して指定された
　　　周波数を出力するものです。

　　　水晶発振モジュールは、３．３Ｖ用のものが購入できればいいのですが、私は４０ＭＨｚは５Ｖ用のものしか購入できなかったので、
　　　ＨＴ７７５０Ａ（秋月電子で５個２００円）を使って、電源に必要な５Ｖは、３．３Ｖから作り出しています。
　　　このＣＰＬＤの入力は５Ｖトラレント入力なので、水晶発振モジュールの５Ｖ波形は、ＣＰＬＤにそのまま入力できます。
　　　ＭＡＸ３０６４Ａのマクロセル数が６４と小さめなので、分周カウンタは１８ビットにしてありますが、例えば、ＭＡＸ３１２８Ａや
　　　ＭＡＸ�U等の大きなものを使えば、このビット数を増やしてより低い周波数を出力できるようにしたり、プログラマブルなＳＩＮ波を
　　　出力するような使い方にする事もできます。
　　　このような修正をした場合でも、ＰＩＣ側のプログラムは、入力下限周波数のチェック「ＰＩ＿ＯＵＴＭＩＮ」を変更する程度で、ほとんど
　　　そのまま使用できます。
　　　ＰＩＣ１２Ｆ１８２２については、 「ＰＩＣ奮闘記　第一章　８ビットＰＩＣを使ってみる」で取り上げています。

　　　このサンプルは、ＭＡＸ３０６４Ａのマクロセル数を１００％使い切っているので、Ｑｕａｒｔｕｓ�Uのバージョンによっては、ビルド
　　　できないかも知れません。

写真、回路図

ハイパーターミナルのイメージ（このツールの使い方）
出力する周波数（１５３〜２０００００００）を入力して「スペースキー」を押すと、指定された周波数が出力されます

オシロスコープによる出力波形のイメージ

ピンアサイン 　

ハイパーターミナルの設定

sample1a.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　メイン

sample1b.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　分周回路

sample1c.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　マイコンデータの連動

sample1.c

サンプル�@　プログラムソース　ＰＩＣ１２Ｆ１８２２用(MPLAB　HI-TECH(Version9.83)　Ｃ言語プログラム）
・水晶発振モジュールの周波数を変更した場合は、プログラム中の「ＰＩ＿ＯＳＣ」を変更する事で対応できますが、
ハイパーターミナルから入力できる周波数の下限を設定している「ＰＩ＿ＯＵＴＭＩＮ」の変更も必要です。

　�Dダイナミック点灯方式・４桁７セグメントＬＥＤ表示器にしてみる

　　　７セグメントＬＥＤ表示器を４個つないで、４桁の表示器にしてみました。
　　　このＣＰＬＤでは、４桁７セグメントＬＥＤをそのまま点灯するにはピン数が不足するので、ダイナミック点灯方式にしてあります。
　　　電源は、７セグメントＬＥＤ用の５Ｖと、ＭＡＸ３０６４用の３．３Ｖが必要になるので、５Ｖから三端子レギュレタを通して３．３Ｖを作り出して
　　　います。　
　　　７４ＨＣ２４５を使ったのは、秋月電子で５個２００円で購入できるからで、双方向性が必要なわけではありません。
　　　このＩＣを使った場合、ＤＩＲ（１ピン）の電圧を間違えると、入力と出力が逆向きになり、ＣＰＬＤ側に５Ｖが出力されて、ＭＡＸ３０６４Ａが
　　　壊れる可能性があります。 　　

　　　サンプル�@は、４桁の１０進カウンタで、Ｓ３を押すと、１／１００秒でカウントを開始し、Ｓ４を押すとカウント値がゼロにリセットされます。
　　　ＰＩＣ１２Ｆ１８２２は、８ＭＨｚの水晶を分周して、３．３Ｖ、１ＫＨｚのオシレータとして使っているだけです。
　　　この「表示アダプタ」、及び「ＰＩＣ１２Ｆ１８２２オシレータ」の詳細は、 「ＰＩＣ奮闘記　第三章」で取り上げています。

写真、回路図

ピンアサイン

ＰＩＣ１２Ｆ１８２２オシレータのモード設定
このサンプルでは、Ｓ０：ＯＦＦ，Ｓ１：ＯＮにして、１ＫＨｚのオシレータとして使用します

sample1a.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　メイン

sample1b.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　１０進カウンタ

sample1c.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　８進カウンタ

sample1dvhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　７セグデコーダ

sample1e.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　８ビットデコーダ

sample1f.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ３０６４Ａ用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　クロック分周器

pic1.asm

サンプル�@　プログラムソース　MPLAB用　PIC12F1822用　アセンブラ言語(MPLAB／MPASM)

　　アルテラ社のＭＡＸ�Uシリーズを使ってみる

　　　　　●実験ボード・タイプ１(EPM240T100C5)

　　　　　　　　トランジスタ技術誌のＭＡＸ�Uボードが何枚かあるので、実験ボードにしてみました。
　　　　　　　　ＭＡＸ�U本体以外の周辺回路は不要なので、オプションパーツは取り付けていません。
　　　　　　　　ＭＡＸ�Uは、安価で高性能ですが、多ピンＱＦＰパッケージなので、これを手作業でハンダ付けしてボードを作るのは、
　　　　　　　　なかなか根気がいる作業だと思います。
　　　　　　　　そういう意味では、このボードは実験で重宝するものだと思います。

　　　　　　　　注意）このＭＡＸ�Uの入力電圧範囲は、−０．５[Ｖ]〜＋４．０[Ｖ] です。トレラント入力ではありません。
　　　　　　　　５[Ｖ]の入力をする場合は、クランプダイオードと、外部抵抗等の対応が必要になります。　

ピン配列

写真

回路図
ＪＴＡＧ回路、コンデンサは回路図から省略しています
オプションの水晶発振器や電源レギュレタは、取り付けていません

　�@プログラマブルオシレータ（２[Ｈｚ]〜２０[ＭＨｚ]）にしてみる

　　　ＭＡＸ３０６４Ａで作ったオシレータを、ＭＡＸ�Uでも作ってみました。
　　　このＣＰＬＤは、マクロセル数がＭＡＸ３０６４Ａの３倍程度あるので、ビット数を増やして出力レンジを２[Ｈｚ]〜２０[ＭＨｚ]
　　　に拡張していますが、それでも使用しているトータルロジックエレメント数は、全体の３３パーセント程度しか使っていません。

　　　機能は、ＭＡＸ３０６４Ａのサンプルと同じで、パソコンのハイパーターミナルから周波数（２〜２０００００００[Ｈｚ]）を入力して
　　　スペースキーを押すと、ＰＩＣで分周回数を計算して３線でＣＰＬＤに送信し、ＣＰＬＤが４０ＭＨｚの水晶発振モジュールの出力を
　　　分周して指定された周波数を出力します。

　　　ＭＡＸ�Uは、５Ｖトラレント入力ではないので、水晶発振モジュールの５Ｖ出力を、過去に秋月電子で購入した７４ＶＨＣ２４４Ｆで
　　　３．３Ｖに変換してＣＰＬＤに入力しています。
　　　７４ＶＨＣ２４４Ｆにこだわる理由はないのですが、電源電圧（３．３Ｖ）より高い電圧（５Ｖ）を入力するので、ＶＨＣシリーズ等
　　　しか使用できません（ＨＣシリーズを使うと、ＩＣが壊れてしまいます）。

　　　このサンプルは、水晶を分周しているだけなので、周波数の精度は高いのですが、実験では、時々、誤った周波数を出力する
　　　事があります。
　　　このような場合、ハイパーターミナルから出力する周波数を再度入力する必要があります。

　　　ＰＩＣ１２Ｆ１８２２については、 「ＰＩＣ奮闘記　第一章　８ビットＰＩＣを使ってみる」で取り上げています。

写真、回路図

ハイパーターミナルのイメージ（このツールの使い方）
出力する周波数（２〜２０００００００）を入力して「スペースキー」を押すと、指定された周波数が出力されます

オシロスコープによる出力波形のイメージ

ピンアサイン 　

ハイパーターミナルの設定

sample1a.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ�U　ＥＰＭ２４０Ｔ１００Ｃ５用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　メイン

sample1b.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ�U　ＥＰＭ２４０Ｔ１００Ｃ５用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　分周回路

sample1c.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ�U　ＥＰＭ２４０Ｔ１００Ｃ５用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　マイコンデータの連動

sample1.c

サンプル�@　プログラムソース　ＰＩＣ１２Ｆ１８２２用(MPLAB　HI-TECH(Version9.83)　Ｃ言語プログラム）

　�Aプログラマブルオシレータ（１[Ｈｚ]〜１００[ＫＨｚ]／ＳＩＮ波）にしてみる

　　　ＳＩＮ波を出力するプログラマブルオシレータにしてみました。
　　　ハイパーターミナルから周波数（１[Ｈｚ]〜１００[ＫＨｚ]）を入力すると、指定した周波数のＳＩＮ波を出力します。
　　　ＶＨＤＬプログラムは、０．００１[Ｈｚ]までの出力ができるように作ってありますが、そんな周期のＳＩＮ波の用途もないので、
　　　ＰＩＣのプログラムが１[Ｈｚ]までしか入力できるようになっていません。
　　　ＳＩＮ波の精度は、８ビット（０〜２５５）、２００分割にしてあります。
　　　ＳＩＮ波データは、上記、ＭＡＸ３０６４Ａで紹介したＣＹＧＷＩＮのプログラムで作ったものです。
　　　７４ＶＨＣ２４４Ｆは、電源電圧（３．３Ｖ）より高い電圧（５Ｖ）を入力するので、ＶＨＣシリーズ等しか使用できません。
　　　ＨＣシリーズを使うと、ＩＣが壊れてしまいます。

　　　このサンプルは、水晶を分周しているだけなので、周波数の精度は高いのですが、実験では、時々、誤った周波数を出力する
　　　事があります。
　　　このような場合、ハイパーターミナルから出力する周波数を再度入力する必要があります。

写真、回路図

ハイパーターミナルのイメージ（このツールの使い方）
出力する周波数（１〜１０００００）を入力して「スペースキー」を押すと、指定された周波数が出力されます

オシロスコープによる出力波形のイメージ

ピンアサイン 　

ハイパーターミナルの設定

sample1a.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ�U　ＥＰＭ２４０Ｔ１００Ｃ５用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　メイン

sample1b.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ�U　ＥＰＭ２４０Ｔ１００Ｃ５用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　分周回路

sample1c.vhd

サンプル�@　プログラムソース　ＭＡＸ�U　ＥＰＭ２４０Ｔ１００Ｃ５用(Quartus�U　8.1用　VHDL言語)　マイコンデータの連動

sample1.c

サンプル�@　プログラムソース　ＰＩＣ１２Ｆ１８２２用(MPLAB　HI-TECH(Version9.83)　Ｃ言語プログラム）

　　アルテラ社のＭＡＸ７０００シリーズを使ってみる

　　　　　　ＭＡＸ７０００ファミリーには、コア電圧が２．５Ｖ用のＢ、コア電圧が３．３Ｖ用のＡ（ＡＥ）、コア電圧が５Ｖ用のＳシリーズがあります。

　　　　　　ＭＡＸ７０００Ａシリーズでは、ＭｕｌｔｉＶｏｌｔ　Ｉ／Ｏインターフェース機能がサポートされていて、供給電圧の異なるシステムとインタフェース
　　　　　　することができます。
　　　　　　Ｖｃｃｉｎｔ（コア電源）に３．３Ｖを供給し、Ｖｃｃｉｏ（出力電源）に３．３Ｖまたは２．５Ｖの何れかを供給する事で、５Ｖ、３．３Ｖ、２．５Ｖの混在する
　　　　　　システム間でも、互換を保つ事ができます。※下記の表を参照
　　　　　　通常は、Ｖｃｃｉｎｔ、Ｖｃｃｉｏは３．３Ｖで使用します。
　　　　　　また、各I/Oピンに対してオープン・ドレイン（オープン・コレクタと同等）出力のオプションを選択する事もできます。
　　　　　　スピードグレードは、−４〜−１２程度まであり、この数値が小さいほど、高速のデバイスになっています。

ＭＡＸ７０００Ａシリーズのマニュアルより抜粋

　　　　　●実験ボード・タイプ１(EPM7064AETC44-10N)

ピン配列

　　　ただいま、準備中