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23장 결과보고서_FPGA를 이용한 LED 및 FND 구동 (1)

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한컴오피스
최초등록일 2025.06.07 최종저작일 2023.10
23장 결과보고서 실험보고서
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23장 결과보고서_FPGA를 이용한 LED 및 FND 구동 (1)
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    • 🔌 FPGA 회로 설계의 실무적 구현 과정 상세 설명
    • 💡 클럭 분주, 카운터, 디코더 등 디지털 회로 핵심 개념 학습 가능
    • 📝 실제 테스트벤치와 웨이브폼을 통한 구현 검증 방법 제시

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    목차

    없음

    본문내용

    1. 클럭 분주기, 4 비트 카운터, 7 세그먼트 디코더 구현
    a) 1 kHz 클럭 분주기 코드, 테스트벤치 코드, 모의실험 파형

    웨이브폼
    왼쪽 코드는 클락이 상승 엣지마다 1씩 증가하는 카운터다. 500ns 주기로 clk신호를 반전시키고 clk은 CLK에, Q는 q에 연결하는 테스트 벤치를 작성했다. 웨이브폼에서 클락 입력마다 1씩 증가하는 4비트 카운터가 만들어진 것을 볼 수 있다.

    4비트 바이너리 값으로부터 각 세그먼트에 연결된 FPGT 단자를 HIGH 또는 LOW로 출력하는 디코더이다. case문을 사용하여 0~F를 표시하기 위한 7개의 출력 단자 상태를 결정했다. 웨이브폼을 보면 50ns마다 값이 바뀌고 7개의 출력 단자의 상태도 달라지는 것을 볼 수 있다.

    자체평가
    1) DigComV32에 사용된 FPGA 소자의 family 명은 ( Cyclone ) 이다.

    2) clk의 상승에지를 감지하여 동기신호로 쓰기 위한 함수는 ( always(posedge mclk) )이다.

    3) 1Hz 신호를 만들기 위해서 클럭 신호를 ( 1MHz에서 1Hz로 )분주 하였다.

    4) FPGA 프로그래밍을 위해서 사용하고 있는 USB-Blaster의 모드는 ( Active Serial programming )이다.

    5) Quartus 프로그램을 이용하여 FPGA 모듈에 디지털회로를 구현하기 위해서는 프로젝트 생성, 코드작성, 컴파일, ( FPGA pin assign ), 컴파일, ( download )의 과정을 거친다.

    참고자료

    · 없음

  • AI와 토픽 톺아보기

    • 1. 클럭 분주기(Clock Divider)
      클럭 분주기는 디지털 회로 설계에서 매우 중요한 기본 구성 요소입니다. 고속 클럭을 저속 클럭으로 변환하여 다양한 속도의 회로를 동기화할 수 있게 해줍니다. 특히 마이크로컨트롤러나 FPGA 기반 시스템에서 여러 모듈이 서로 다른 클럭 속도를 필요로 할 때 필수적입니다. 간단한 카운터 회로로 구현할 수 있어 효율적이며, 전력 소비를 줄이는 데도 도움이 됩니다. 다만 분주 비율 설정과 위상 정렬에 주의해야 하며, 복잡한 시스템에서는 PLL(Phase Locked Loop) 같은 고급 기법과 함께 사용되기도 합니다.
    • 2. 4비트 카운터(4-bit Counter)
      4비트 카운터는 디지털 논리 회로의 기초를 배우는 데 이상적인 학습 도구입니다. 0부터 15까지 순환적으로 계산하는 간단한 구조이면서도 플립플롭, 조합 논리, 상태 관리 등 핵심 개념을 포함하고 있습니다. 실제 응용에서는 타이머, 분주기, 주소 생성기 등 다양한 용도로 활용됩니다. 동기식과 비동기식 구현 방식이 있으며, 각각의 장단점을 이해하는 것이 중요합니다. 특히 FPGA나 ASIC 설계에서 카운터는 거의 모든 프로젝트에 포함되는 필수 요소입니다.
    • 3. 7세그먼트 디코더(7-Segment Decoder)
      7세그먼트 디코더는 디지털 정보를 인간이 읽을 수 있는 형태로 변환하는 중요한 인터페이스 회로입니다. 4비트 이진 입력을 7개의 LED 세그먼트 제어 신호로 변환하여 숫자를 표시합니다. 조합 논리 회로의 실제 응용 사례로서 교육적 가치가 높으며, 진리표 작성과 논리식 최소화 과정을 학습할 수 있습니다. 현대에는 LCD나 OLED 디스플레이가 주로 사용되지만, 7세그먼트는 여전히 간단한 숫자 표시가 필요한 많은 임베디드 시스템에서 활용됩니다. 멀티플렉싱 기법과 함께 사용하면 더욱 효율적인 디스플레이 시스템을 구축할 수 있습니다.
    • 4. FPGA 구현 및 프로그래밍
      FPGA는 현대 디지털 설계의 핵심 기술로, 하드웨어를 소프트웨어처럼 유연하게 구성할 수 있는 강력한 도구입니다. VHDL이나 Verilog 같은 HDL을 사용하여 복잡한 디지털 회로를 효율적으로 구현할 수 있으며, 프로토타이핑에서 대량 생산까지 다양한 단계에서 활용됩니다. 병렬 처리 능력이 뛰어나 고성능 신호 처리, 암호화, 머신러닝 가속 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 다만 학습 곡선이 가파르고, 합성, 배치, 라우팅 등 복잡한 설계 흐름을 이해해야 합니다. 적절한 도구와 충분한 학습 시간이 있다면 매우 보람 있는 기술 분야입니다.

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