FPGA *

_{На фото: Платформа SKARAB для цифровой обработки данных с телескопа MeerKAT. За счет технологии HMC каждая из 64 антенн телескопа может передать на платформу поток данных со скоростью 40 Гбит/с}

В ожидании нового стандарта памяти DDR5 SDRAM, который появится уже в следующем году, мы исследуем альтернативные технологии. В этой статье изучим память HMC (Hybrid Memory Cube), которая обеспечивает 15-кратный рост производительности при 70% экономии на энергопотреблении на бит по сравнению с DDR3 DRAM.

В то время как DDR4 и DDR5 представляют собой эволюцию стандарта, HMC — это революционная технология, которая может изменить рынок не только в сфере специализированных высокопроизводительных вычислений, но также в области потребительской электроники, такой как планшеты и графические карты, где важен форм-фактор, энергоэффективность и пропускная способность.

Если вы читали мою предыдущую статью, вероятно вам интересна эта тема и вы хотите узнать больше. В этой статье рассмотрим очень частную, не простую, но от этого не менее необходимую задачу запуска двух разных Baremetal приложений на разных ядрах SoC Cyclone V. По сути такие системы называются AMP — asyncronus multi-processing. Чуть не забыл сказать, что на русском языке вы не найдете другого более правильного и подробного руководства к созданию таких систем, так что читаем!

Полистал недавно книжку (не всю, только то, что позволили):



Нашел пример, как делать схемы с помощью Petrify. Исходное задание выглядит так:

В предыдущей публикации я представил метод синтеза асинхронных схем в минимальной элементной базе. Этот метод не требует вычисления логических функций, а представляет из себя коррекцию исходного поведения с помощью добавления дополнительных сигналов. Покажу на примере C-элемента, как это работает.

SDR, или программно-определяемая радиосистема – это устройство для работы с радио, в котором работает мини-компьютер со специальным программным обеспечением. Он заменяет традиционные аппаратные компоненты: фильтры, усилители, модуляторы и демоуляторы. Это позволяет создать радиоприемник, работающий с самыми разными протоколами. Вообразите себе радиолу, которая кроме «ХитFM» может принимать аналоговое и цифровое телевидение, связываться по Wi-Fi, Bluetooth и GPS, а также засекать излучение пульсаров.

А теперь представьте себе американского девятиклассника, который решил сделать такую радиолу, заказал через интернет ПЛИС, радиомодуль, развёл шестислойную плату, а потом своими руками смонтировал на неё почти 300 компонентов. И через три ревизии это всё у него заработало!

Сказать, что Petrify решает, поставленные перед ней задачи, можно лишь с большой натяжкой. Вернее она кое-что может для небольших заданий (где количество сигналов едва превышает 20), проблема взрыва состояний так и не была решена. Но и для таких задач удовлетворительный результат не гарантирован. Декомпозиция далеко не всегда дает приемлемые результаты.

В чем причина этих неудач? Я бы назвал 3 основные:

1. Увлеченность STG. Да, это красивая, забавная модель, очень интересно играть маркерами и т.п. Но, подумайте, процесс переключения сигналов схемы это такой же процесс как выполнение какой-либо программы. Мы используем для описания программы сети Петри? Для чего тогда они нужны при описании процессов, происходящих в схеме? В результате разработчики Petrify львиную долю своих усилий потратили на изучение свойств сетей Петри. А собственно задачи синтеза схем так и не были решены.

2. Упор на «вычислительность». Под этим я подразумеваю убежденность, что для синтеза схем обязательно нужно вычислять логические функции. Как результат, вместо решения задач синтеза, исследовались только возможности уменьшения таких вычислений.

3. Неспособность разобраться в причинах возникающих проблем. Но об этом ниже.

Введение

Для некоторых людей FPGA SoC является чем-то недоступным пониманию и данная статья должна исправить это недоразумение. Разберем создание программы с нуля, от пустого проекта, до горящего светодиода. Для начала скажу, что проект выполнялся на отладочной плате DE1-SoC, и вы можете с легкостью адаптировать его для других плат с плисами фирмы Аltera, если разберетесь с данным руководством. Начнем!

В первой части я описал на примере cmoda7 как портировать MIPSfpga (Портирование MIPSfpga на другие платы и интеграция периферии в систему. Часть 1) на FPGA платы отличные от уже портированых среди которых такие популярные как: basys3, nexys4, nexys4_ddr фирмы Xilinx, а так же de0, de0_cv, de0_nano, de1, DE1, de10_lite, de2_115, DE2-115 фирмы Altera(Intel), во второй части как интегрировать клавиатуру Pmod KYPD (Портирование MIPSfpga на другие платы и интеграция периферии в систему. Часть 2).

В этой части добавим к MIPSfpga-plus встроенный АЦП, и популярный LCD от Nokia 5100.
С предыдущих частей можно сделать вывод, что интеграция периферии в MIPSFPGA состоит из пять основных этапов:

• Добавление модуля интерфейса общения с периферией (i2c, spi, и т.д.).
• Соединение входных/выходных портов модуля с шиной AHB-Lite.
• Присваивание адресов сигналов подключаемого устройства.
• Добавление констрейнов на физические контакты платы.
• Написание программы для MIPS процессора.

Подключение встроенного в cmoda7 АЦП

Как я уже говорил плата cmodA7 имеет встроенный АЦП, pin 15 и 16 используются в качестве аналоговых входов модуля FPGA. Диапазон работы встроенного АЦП от 0-1V, поэтому используется внешняя схема для увеличения входного напряжения до 3.3V.


Эта схема позволяет модулю XACD точно измерить любое напряжение от 0 В и 3,3 В (по отношению к GND). Чтобы работать с АЦП в Vivado существует блок IP (интеллектуальной собственности) Xilinx, с помощью которого можно будет просто его интегрировать в нашу систему MIPSfpga.

MIPSfpga микропроцессор MIPS32 microAptiv описаный на языке Verilog для образовательных целей фирмы Imagination, который имеет кэш-память и блок управления памятью. Код процессора доступен пользователю (инструкция по скачиванию) и может использоваться для моделирования и реализации процессора на FPGA плате.

Данная статья является продолжением статьи о том как портировать MIPSfpga-plus на другие платы, и в ней будет описано как интегрировать периферию в систему MIPSfpga-plus на примере 16 кнопочной клавиатуры Digillent Pmod KYPD:



Подключение клавиатуры к процессору позволит пользователю общаться с ним. В общем 16 кнопочные клавиатуры бывают в различных представлениях, но реализация и принцип работы у них одинаковый. Поэтому, по даному примеру можно интегрировать и схожие клавиатуры.

Интеграция встроенного в плату АЦП, а так же подключения дисплея от Nokia 5100 описана в следующей части моего tutorial:

Портирование MIPSfpga на другие платы и интеграция периферии в систему. Часть 3

Так же о том как начать работать с MIPSfpga написано в статье.

MIPSfpga представляет собой предназначенный для образовательных целей микропроцессор MIPS32 microAptiv фирмы Imagination, который имеет кэш-память и блок управления памятью. Код процессора на языке Verilog доступен пользователю и может использоваться для моделирования и реализации процессора на FPGA плате.

В даной статье будет описано на примере Digilent cmodA7 как портировать процессор MIPSfpga-plus на другие платы.



На сегодняшний день MIPSFPGA портирован на популярные платы таких фирм как ALTERA и Xilinx, среди них Basys 3, Nexys4 ddr, и другие (полный список находится на github). Такие платы наиболее популярны среди разработчиков на FPGA. Цена на такие платы довольно не маленькая, да и загружаются программы в ядро MIPSfpga с использованием интерфейса EJTAG и адаптера Bus Blaster ценой около 50$. Адаптер Bus Blaster получает команды по высокоскоростному кабелю USB 2.0 и преобразует их в последовательный протокол EJTAG, это позволяет загружать программы в ядро MIPSfpga и управлять отладкой программ, которые на нем выполняются. Проблема с относительно дорогим Bus Blaster была решена введением в систему MIPSfpga ряда улучшений. Улучшеный вариант системи MIPSfpga, названый MIPSfpga-plus включает в себя такие новые функции:

— Возможность загрузки программного обеспечения с использованием USB-to-UART коннектора ценой в $ 5 FTDI вместо $ 50 Bus Blaster, который иногда не так уж и легко достать.

— Возможность изменять тактовую частоту на лету с 50 или 25 МГц до 1 Гц (один цикл в секунду) для наблюдения за работой процессора в режиме реального времени, включая промахи в кэш-памяти и перенаправления конвеера.

— Пример интеграции датчика освещенности с протоколом SPI.

— Небольшая последовательность инициализации программного обеспечения, которая вписывается в 1 КБ вместо 32 КБ памяти, что позволяет переносить MIPSfpga на более широкий выбор плат FPGA без использования внешней памяти. Реализация UART описана в статье: MIPSfpga и UART.

---

Первая часть

---

Если вы уже успели поработать с блочным дизайном в Vivado, то могли увидеть, что внешний вид многих стандартных IP изменяется в зависимости от настраиваемых параметров. Например, модуль AXI-GPIO может быть одноканальным или двухканальным в зависимости от параметра «Enable dual channel»:

Для проекта БК-0010 нам тоже будет удобно воспользоваться этой технологией и сегодня мы узнаем, как это сделать.

Также в этой части мы:

• Рассмотрим общие сведения об архитектуре БК-0010
• Поговорим об интерфейсах, о том, как их создавать и как с ними работать.
• Создадим несколько вспомогательных IP, внешний вид и характеристики которых меняются в зависимости от параметров.

Так иногда бывает, что занимаешься одной технической проблемой, но, по мере погружения в задачу и во время поиска ее решения, появляются «побочные продукты». Так случилось и в этот раз. Я исследовал различные методы измерения временных интервалов с помощью ПЛИС. В одном из предложенных методов измерений был использован динамический сдвиг фазы тактовой частоты с PLL. Позже пришла идея: используя свойства PLL можно попробовать сделать в ПЛИС простейший радиопередатчик с фазовой модуляцией.

И кое-что получилось!

Большинство любительских проектов FPGA, опубликованных на Хабре, сделаны на оборудовании фирмы Altera (теперь Intel). Давайте для разнообразия посмотрим, что можно сделать на продукции его основного конкурента – Xilinx. Мы возьмём и сделаем достаточно большой и сложный проект, в процессе реализации которого нам понадобится:

• Выбрать Development board и необходимые PMOD к ней
• Определиться с дизайном проекта, выбрать clock domains и правила перехода между ними
  
• Освоить основные функции Xilinx Vivado – создание проекта, работу с блочными схемами, компиляцию, симуляцию, отладку
• Сделать несколько IP с интерфейсом AXI4
• Поработать с внешними устройствами
• Сделать с нуля собственный процессор с контроллером шины и обработкой прерываний
• Написать модуль для верификации
• Наконец собрать всё вместе и получить реализацию на FPGA легендарного (как минимум для тех, кто тогда жил) компьютера середины 80-х – БК-0010

Планируется цикл статей, в которых всё это будет подробно описано, сегодня первая из них. Проект написан на System Verilog с небольшими вставками Verilog и VHDL в тех местах, где это необходимо. От читателя требуется понимание базовых принципов языков Verilog/VHDL на уровне книжки Харрис&Харрис.

Добрый день!

Как вы поняли из названия, вас ждет очередная статья про NetFlow, но на этот раз с необычной стороны — со стороны реализации NetFlow сенсора на FPGA.

Недавно мы применили плату Ethond в качестве мини-роутера и запустили на нём OpenVPN.

Но обнаружилось, что процессор часто нагружается на 100%, а скорость не поднимается выше 15-16 Мбит/с. На канале связи 100 мегабит это очень мало, поэтому мы решили ускорить процесс аппаратно.

Ребята из группы FPGA-разработчиков сделали прошивку на базе открытого IP-core для Altera CycloneV с реализацией шифра AES-128, которая умеет шифровать 8 Гбит/сек и дешифровать 700 Мбит/сек. Для сравнения, программа openssl на CPU (ARM Cortex A9) того же CycloneV может обрабатывать лишь около 160 Мбит/сек.

Эта статья посвящена нашему исследованию по применению аппаратного шифрования AES. Мы сжато представим описание криптографической инфраструктуры в Linux и опишем драйвер (исходный код открыт и доступен на github), который осуществляет обмен между FPGA и ядром. Реализация шифрования на FPGA не является темой статьи — мы описываем лишь интерфейс, с которым происходит взаимодействие c акселератором со стороны процессора.

В этой статье я хочу рассказать о реализации системы обнаружения и отслеживания множественных объектов в видеопотоке. Данная статья базируется на двух предыдущих: Детектирование движения в видеопотоке на FPGA и Фильтрация изображения методом математической морфологии на FPGA. Захват и первичная обработка изображения осуществляется при помощи методов, описанных в первой статье, а фильтрация изображения описана во второй.

Следуя целям, поставленным в первой статье, я решил реализовать алгоритм отрисовки рамки вокруг обнаруженного объекта. В процессе выполнения этой задачи, я столкнулся с вопросом: а вокруг какого именно объекта надо рисовать рамку? Объектов, попавших в кадр после фильтрации, может оказаться множество: одни из них маленькие, а другие большие. Если рисовать одну рамку вокруг всех объектов, попавших в кадр, то это делается не сложно, но результат работы такой системы вряд ли кому будет интересен.

SDAccel это система программирования на OpenCL для ПЛИС фирмы Xilinx. В настоящее время всё более обостряется проблема разработки проектов для ПЛИС на традиционных языках описания аппаратуры, таких как VHDL/Verilog. Одним из методов решения проблемы является применение языка C++. OpenCL это один из вариантов применения языка С++ для разработки прошивок ПЛИС.

В этой статье я хочу рассмотреть один, на мой взгляд, достойный внимания подход к фильтрации изображений методом математической морфологии. Про математическую морфологию написано много статей, и одна из них размещена здесь на хабре. Читателю, незнакомому с данной темой, я рекомендую сначала ознакомиться с материалом по ссылке выше.

В статье про фильтрацию изображения я рассказывал про метод фильтрации медианным фильтром. Данный фильтр показал себя очень даже неплохо, но у него есть ряд ограничений и неудобств:
громоздкий даже в реализации 3x3:

• требует формирование оконной функции
• очень сложен для расширения окна
• большое запаздывание (latency) при последовательном соединении с другими оконными функциями.

Все эти неудобства нисколько не умаляют степень его применимости в цифровых системах обработки изображений, однако существует и иной подход.

Пол года назад я наткнулся в сети вот на это видео.

Первой мыслью было то, что это очень круто и у меня такое никогда не получится повторить. Шло время, читались статьи, изучались методы и я искал примеры реализации подобного, но к моему огорчению, в сети ничего конкретного не находилось. Наткнувшись однажды на вычисления тригонометрических функций с использованием алгоритмов CORDIC, я решил попробовать создать свою собственную вращалку изображения на ПЛИС.

Прошло чуть больше месяца с тех пор, как я портировал open source модуль UART16550 на шину AHB-Lite. Писать об этом на тот момент было несколько не логично, так как еще не была опубликована статья про прерывания MIPSfpga.

Если вы опытный разработчик, то для вас только одна полезная новость: UART16550 добавлен в состав системы MIPSfpga-plus, дальше можете не читать. А тем, кого интересует разобранный пример использования этого модуля — добро пожаловать под кат.