FPGA *

Полноценных эмуляторов eMMC практически нет: программные решения не справляются с требуемыми скоростями, а существующие обходные подходы не позволяют воспроизводить всё многообразие поведения накопителя. Мы решили исправить эту ситуацию и создать собственный эмулятор для исследований безопасности и воспроизведения нестандартного поведения накопителей.

В процессе разработки пришлось разбираться с FPGA, DDR4, AXI, Clock Domain Crossing и особенностями реальных хост-контроллеров. Оказалось, что они не всегда следуют спецификации (которой нет в открытом доступе) и порой предъявляют к eMMC собственные требования.

Нам приходилось отлаживать эмулятор с кардридером, программатором и даже одноплатником Orange Pi 3B. В итоге он смог загрузить Linux и перейти к режиму HS200.

Как превратить FPGA в eMMC и почему отладка хост-контроллера иногда сложнее самой эмуляции - читайте в статье.

Ко мне пришла плата для организации SDR-трассивера и я решил сделать технический разбор FMC-модуля на широкополосном трансивере Analog Devices ADRV9009 - того самого «китайского клона» оценочной платы ADRV9009-W/PCBZ, который продаётся на Taobao и AliExpress под именем FMC ADRV9009. Обзор рассчитан на читателя, который в целом понимает, что такое SDR, FPGA и JESD204B, но хочет разобраться в конкретной плате: что на ней стоит, как она устроена схемотехнически, к чему её можно подключить и чего от неё ждать. Если тебя заинтересовала данная тема - добро пожаловать под кат.

Я писал в предыдущих постах, что наш митап по верилогу пригласили на мероприятие торговой палаты города Маунтин-Вью, Калифорния. И вот мероприятие состоялось. Ну, как я уже написал в заголовке, на наш стенд зашел Дейл Догерти, основатель журнала самоделкиных Make Magazine и выставок Maker Faire. Дейл расспросил Майю и Свету почему у них возник интерес к проектам с микросхемами малой степени интеграции.

На всяких народных гуляниях типа MakerFaire и OpenSauce меня постоянно спрашивают при виде FPGA “Это Ардуино / Raspberry Pi?” Причем когда я отвечаю “нет”, у людей появляется выражение лица будто я им нагрубил. Я раньше не понимал, с чем это связано, но теперь думаю, что цель такого вопроса - просто показать свою эрудицию, а я эту цель обламываю. Кроме этого минимум у одной дамы было такое выражение лица, что она наверное подумала, что я сумасшедший.

Теперь при использований микросхем малой степени интеграции появляется второй вопрос “разве все эти микросхемы не устарели и не были заменены Ардуино?”

Короче для Technology Showcase в Mountain View в этот четверг я решил сделать вот такую одну страничку и просто молча давать ее людям, которые задают эти два вопроса. Первая сторона:

Оказывается, школьницы стран бывшего СССР умеют ваять цифровые схемы на CMOS 4000 ничуть не хуже школьников, причем не только русскоязычных школьников, но и школьников из Индии и Китая. Под конец нашей месячной «Школы не в Замке, а в Клубе Хакеров по викендам» образовалась такая теплая компашка:

← Восьмая часть

Описанный в предыдущих частях калькулятор уже работал. Реализация 2021 года запускалась на реальном оборудовании, обрабатывала нажатия клавиш, вычисляла результаты и отображала их. Арифметика была корректной в том смысле, что большинство результатов было точным до 12 значимых разрядов, а это больше, чем требуется обычному пользователю.

Но «большинство» это не «все», а «примерно 12» — это не 15-16 разрядов, которые может и должна обеспечивать 16-разрядная BCD-машина. Существовали пограничные случаи, в которых результаты оказывались совершенно неверными. Имелись итеративные алгоритмы с точностью приемлемой, но не такой, какой она могла быть. Кроме того, в процессе тестирования я обнаружил ошибки, при отладке которых обнаружились фундаментальные баги в коде прототипа на C++. Это привело меня в смятение, ведь для их устранения мне бы пришлось переделать заново код прототипа. В конечном итоге, так я и поступил. Старый код я оставил в репозитории (Pathfinding/Methods) и с нуля разработал совершенно новую версию (Pathfinding/Proof). Я пообещал себе, что занимаюсь этим последний раз в жизни, поэтому стремился делать всё идеально.

В итоге, версия 2025 года устранила найденные мной проблемы. Это был не патч, а почти полное переписывание арифметического движка, расширение набора команд CPU и существенное увеличение библиотеки функций. В этом посте я расскажу об изменениях и их причинах.

В этом году блогу YADRO на Хабре исполняется 10 лет. За это время мы опубликовали более 400 статей о разработке железа, телекоме, процессорной архитектуре, системном ПО и других инженерных темах.

В честь юбилея мы подготовили квиз по мотивам этих публикаций. Проверьте, насколько хорошо вы ориентируетесь в мире технологий, и попробуйте ответить на все вопросы правильно.

Некий комментатор скормил ИИ мои посты про обучение школьников цифре на макетке, и иишница в частности ответило: “Высокий порог входа для части школьников. Проект предполагает понимание базовых вещей: что такое бит, такт, сдвиговый регистр, перенос, семисегментный индикатор”.

Это конечно ерунда полная. Школьники знают про арифметический перенос из того что их учили складывать столбиком числа во втором классе. Такт - это просто период между миганиями лампочки на модуле тактового генератора. Сдвиговый регистр они понимают по движению лампочек которое отображает его содержимое. А семисегментный индикатор они могут прощупать втыканием провода в пины идущие к каждому из светодиодов.

Но предоставим слово самим школьникам. Я сделал видео, но которых попросил трех школьников показать что они выучили и смогли смастерить после двух-трех сессий на викенды. Некоторые проекты они делали при мне, некоторые дома. Младшему, Матвею, дома помогал отец, но на одном из видео Матвей паяет проект при мне, на видео - так что это довольно чистый эксперимент:

Откройте любой учебный материал по FPGA. С вероятностью девяносто процентов он закончится мигающим светодиодом, бегущей строкой на семисегментнике или, в лучшем случае, генератором VGA-сигнала с цветными полосами. Это нормальные учебные задачи, но у них есть общее свойство, о котором редко говорят вслух: они работают сразу или не работают совсем. Прошили — мигает. Не мигает — перепроверили три строчки кода, нашли опечатку, мигает.

Реальная инженерная работа с ПЛИС устроена иначе. Реальная задача — это когда ваша микросхема должна разговаривать с другой микросхемой по протоколу, у которого есть спецификация на сорок страниц, четыре режима тактирования и подводные камни в каждом втором абзаце даташита. Когда «вроде работает» — это худший из возможных результатов, потому что «вроде» означает «упадёт у заказчика». И когда между «код написан» и «устройство работает» лежат недели верификации и отладки.

Эта статья - следующий шаг в моем обучении и попытка показать полный путь: от фразы "нам нужен SPI-контроллер" до момента, когда логический анализатор показывает красивые пачки импульсов на ножках кристалла. Здесь будут не только архитектурные решения и листинги, но и все ошибки, которые были сделаны по дороге: testbench, который врал, потому что master и slave-модель содержали один и тот же баг; гонка на один такт, из-за которой тест прерываний падал при исправном железе; и финальный детектив — прошивка, в которой SPI-сигналы честно генерировались... на других ножках, потому что файл назначения пинов на диске оказался не тем, который мы правили. Каждая такая история — это методика: симптом, гипотеза, эксперимент, причина, фикс.

← Седьмая часть

В предыдущем посте я писал о микрокоде и слое скриптинга. На этом этапе калькулятор почти полностью существовал только в ПО: в виде десктопного Qt-приложения, выполняющего симуляцию, или в виде страницы с WebAssembly в браузере. Это удобная среда для разработки и демонстрации, но это не калькулятор. Калькулятор должен лежать на столе, его можно взять и постучать по кнопкам.

Сегодня мы поговорим об этом этапе (за исключением издевательств над кнопками).

Doom — это выпущенная в 1993 году видеоигра, которую разработала id Software. Она совершила революцию в гейминге и стала определяющей для современных шутеров от первого лица. Благодаря её популярности возникла поговорка «Doom можно запустить на чём угодно». Чтобы доказать это, Doom портировали почти на все платформы, от микроконтроллеров до тостеров и даже бактерий.

Две недели назад мы успешно запустили Doom (тормозной) на созданном с нуля CPU (а потом опубликовали об этом видео, получившее несколько миллионов просмотров). Честно говоря, мне до сих пор в это не верится. Но что же мы создали на самом деле? Спроектировали собственный CPU на уровне логических вентилей, подключили его к периферии, адаптировали исходный код DOOM для запуска на этой машине и развернули всё это на FPGA для исполнения в реальном времени. До запуска Doom мы писали только простые программы, например, Pong и множества Мандельброта. Теперь мы можем запускать завершённые опубликованные игры, но путь к этому был довольно непростым.

Приветствую! На связи Антон Осетров, DFT-разработчик SoC в компании YADRO. В этой статье я хочу рассказать о вызовах в тестировании SoC, о том, как они изменялись со временем и как с этим связан переход от аппаратного интерфейса JTAG к IJTAG.

Отдавая контрактному производству полный комплект Gerber-файлов и оригинальных прошивок, разработчик часто рискует столкнуться с «атакой третьей смены» — бесконтрольным выпуском нелегальных клонов устройства. Есть ли варианты защиты? Казалось бы, нет, однако... Есть... физика кремния, физически неклонируемые микродефекты кремния (PUF) и неповторимость литографии внутри FPGA. И это можно использовать как уникальный отпечаток устройства.

В этой статье я расскажу, как заставить наноструктурные особенности FPGA работать на безопасность вашего бизнеса, построить отказоустойчивую схему «Кристалл — Сервер» и жестко наказывать "не честного" производителя с помощью отложенного аппаратного саботажа.

Во время Холодной Войны существовало клише что якобы в США все индивидуалисты, а в СССР - коллективисты. С клише была неувязочка: в тот же период американский гуру менеджмента Питер Друкер писал одну за одной толстые книги, как организовывать работу коллективов людей в больших корпорациях. Его книги подхватили японцы, которые быстро применили идеи Друкера в своих компаниях и вышибли американцев из рынков микросхем памяти, бытовой электроники и автомобилей. Даже менеджер моего менеджера, китаец в корейской компании, подарил мне книжку Друкера на позапрошлое рождество.

Коллектив разработки в электронной компании - это двухмерная структура. С одной стороны, есть отделы: архитектуры, моделирования, логического проектирования, верификации, физического проектирования, post-silicon отладки итд. С другой стороны, каждый компонент (процессор, графический процессор, сетевой чип) состоит из пары десятков блоков, и вокруг каждого блока есть небольшие группы по пять-семь человек из всех этих отделов.

Можно попробовать дать школьникам представление о том, как выглядит совместная разработка и отладка с помощью проекта на нескольких макетных платах с микросхемами малой степени интеграции. А потом перенести это на SystemVerilog и FPGA платы. Например вот такого: сделать сумматор чисел бесконечной разрядности:

← Шестая часть

В предыдущем посте мы спроектировали CPU. Я определился с набором команд, написал ассемблер, проверил каждый опкод и создал процессор, работающий в кремнии (или, точнее, в FPGA Altera Cyclone II EP2C5T144C8, что тоже довольно близко). Но у нас пока нет осмысленного ПО (микрокода калькулятора) для запуска на «железе».

В этой части проекта оправдали себя все эксперименты с прототипами на C++, описанные в частях 2 и 3.

Когда я начал писать addsub.asm (самую первую команду, которую я портировал), то не смотрел на пустую страницу, задаваясь вопросом, как работает BCD-сложение. У меня уже имелась эталонная реализация на C++ (addsub.cpp в проекте Proto), верифицированная на тысячах тестовых векторов. Алгоритм был известен, пограничные случаи найдены и охарактеризованы. Я проработал поведение защитного разряда и бита фиксации. Оставалось лишь транслировать это всё на язык ассемблера; задача всё равно сложная, но совершенно иного уровня сложности, нежели изобретение алгоритма в процессе его написания.

Я хотел бы сделать упор на этот двухэтапный процесс, потому что может показаться, что без него можно обойтись. Написание кода прототипа на C++ с последующей ручной трансляцией на язык ассемблера кажется избыточной и долгой работой. Однако она перестанет казаться избыточной к моменту, когда вы будете отлаживать неочевидный пограничный случай округления в 16-ниббловом BCD-вычитании. Наличие золотого эталона, с которым можно выполнять сравнения, не избыточно: это единственное, что стоит между вами и неделями кропотливого труда или даже провалом проекта.

Казалось бы, что тут сложного? Берём 16-битную консоль Sega Mega Drive. Вспоминаем, что внутри неё уже трудится родной 8-битный процессор Zilog Z80 (он отвечает за звук и обратную совместимость с Master System). Берём легендарный компьютер ZX Spectrum, сердцем которого является... точно такой же Z80!

На первый взгляд, задача для инженера звучит как легкая прогулка на выходные: подкинуть BIOS, смапить кнопки геймпада на порт клавиатуры, и готово — запускай Dizzy или Elite.

В прошлой статье, к моему сожалению, код оказался не рабочий. Из-за недостатка опыта, я читал свои же данные на шине и воспринял это как работоспособность памяти. Исправляю это недоразумение в этой статье. Опытным разработчикам читать только из спортивного интереса :-).

Немного изменим аппаратную часть. Итак постановка задачи. Будем передавать по последовательному каналу (RS232) с компьютера маркер адреса 0x80, за которым ожидаются два байта содержащие адрес. Маркер данных 0x40, за которым ожидаются два байта данных. Команда 0x20 запись в память, команда 0x10 чтение из памяти (данные не требуются). Кроме этого будем отображать на семи сегментном индикаторе принятые адрес, данные (как переданные, так и прочитанные), и команды. Далее схемы. А так же имейте ввиду, так как я начинающий и опыта у меня мало, пожалуйста внимательно проверяйте всё, если будете повторять.

Раз уж пошла такая песня, я решил добить вопрос с выводом изображения по HDMI на плате Zynq Mini. В предыдущей статье мы уже разобрали как это сделать в baremetal-сценарии, теперь пришла пора дополнить дизайн для возможности вывода системной консоли Linux, при том, что у Zynq-7000 нет своего видеоконтроллера и весь видеотракт (DMA, генератор таймингов, TDMS-кодер) должен быть построен внутри FPGA, а затем быть проброшен в Linux. 

Всем, кому интересна данная тема - добро пожаловать под кат!

Раз уж я начал учить школьников как собирать на макетной плате цифровые схемы (в рамках подготовки демонстраций к мероприятию торговой палаты города Маунтин-Вью, Калифорния), то возникла необходимость написать для них инструкции. У меня тут же ожидаемо спросили, почему мне не подходят существующие инструкции от Make и других источников. Объясняю:

1. Все эти туториалы последние 55 лет переписывают друг от друга как использовать: 1) резисторы при светодиодах и 2) подтягивающие резисторы. У меня этого нет, потому что я использую LED толерантные к пяти вольтам, кнопки со встроенными подтягивающими резисторами, а также блок питания от USB которые генерит стабильные 5V вместо 9-вольтовой батарейки "Крона". То есть я удалил как кучу лишних резисторов на плате, так и необходимость объяснять законы Ома и Кирхгофа.

2. Эти туториалы часто описывают как строить генератор тактового сигнала из микросхемы 555, конденсатоов и резисторов. У меня этого нет, посколько я используют уже собранные генераторы тактового сигнала с AlExpress. Сборка такого блока самому не дает ничего полезного для обучения цифровому проектированию по направлении к микроархитектуре.

3. В мейкерских туториалах есть куча вещей, которые никогда не возникают в работе проектировщика современного чипа (JK-триггеры, SR-защелки), но нет того, что используется ежедневно (FIFO - микросхема CMOS 40105, приоритетный энкодер - CMOS 4532 итд).

Короче вот первые четыре страницы и фотки школьников с последней сессии:

Мы привыкли воспринимать триггеры и ячейки памяти как данность — удобные «чёрные ящики», которые просто работают. Интуитивно понятно, как выход комбинационной схемы зависит от её входа, но как именно схема, изначально лишенная памяти, вдруг обретает способность сохранять свое состояние?

В этой статье я объясню логическую суть последовательных схем и вместе препарируем работающую D-защёлку (D-latch) с нуля на уровне цифровой логики и булевой алгебры.