FPGA *

Перед нами девушка Лиля, с FPGA платой и учебником Харрис & Харрис в руках, на фоне самого высокого на Земле дерева Sequoia sempervirens, недалеко от Стенфорда в Silicon Valley.

Представьте, что вы приехали сюда в командировку в типичную электронную компанию. Усаживаетесь в офисе, входите со своего ноубука (в Америке их чаще называют лаптопами) в корпоративную сеть и пытаетесь что-то напечатать. А принтер не подсоединяется. Вы обращаетесь к ко-воркеру "Что делать?", а он вам говорит: "Обратитесь в IT". Вы в замешательстве "В Ай-Ти? А я что - не айтишник?"

Спокойствие. Если вы программист, вы не IT, вы software engineer и работаете в отделе Software Engineering Department. Если вы электронщик, вы тоже не IT, вы работаете в Hardware Engineering Department. IT Department - это другое, это отдельный от разработки отдел, это группа сисадминов, которые поддерживает внутри-корпоративную сетку и ведут учет выданых сотрудникам лаптопов.

Но это слишком тривиально, обсудим более интересный вопрос: вот все эти люди, которые пишут код на языке описания аппаратуры Verilog, который потом превращается в дорожки и транзисторы из silicon на фабрике - они программисты? Аппарентли, нет.

Разработка или выбор управляющего контроллера для встраиваемой системы на ПЛИС –актуальная и не всегда тривиальная задача. Часто выбор падает в пользу широкораспространенных IP-ядер, обладающих развитой программно-аппаратной структурой – поддержка высокопроизводительных шин, периферийный устройств, прикладное программное обеспечение и, в ряде случаев, операционных систем (в основном Linux, Free-RTOS).  Одними из причин данного выбора являются желание обеспечить достаточную производительность и иметь под рукой готовый инструментарий для разработки программного обеспечения.

В том случае, если применяемая в проекте ПЛИС не содержит аппаратных процессорных ядер, реализация полноценного процессорного ядра может быть избыточной, или вести к усложнению программного его обеспечения, а следовательно приведет к увеличению затрат на его разработку. Кроме того, универсальное софт-ядро будет, так или иначе, занимать дефицитные ресурсы программируемой логики. Специализированный софт-процессор будет более оптимальным решением в свете экономии ресурсов логики – за счет адаптированной системы команд, небольшого количества регистров, разрядности данных (вплоть до некратной 8битам). Согласование с периферийными устройствами – проблема в основном согласования шин и протоколов. Заменой сложной системы обработки прерываний может служить многопоточная архитектура процессора.

Стековые софт-процессоры и контекст потока

Обычно многопоточные процессоры имеют одно АЛУ и несколько наборов регистров (иногда называемых «теневыми» регистрами) для хранения контекста потока, следовательно, чем больше требуется потоков, тем будут больше накладные расходы логики и памяти. Среди разнообразия архитектур софт-процессорных ядер следует выделить стековую архитектуру. Такие процессоры часто называют еще Форт-процессорами, так как чаще всего их ассемблер естественным образом поддерживает подмножество команд языка Форт.

Ранее в сериале… Ах, да, не все технари уважают сериалы. Тем не менее, слово Simics уже было написано в заголовке и мне не отвертеться от того, что все последующее будет своеобразным практическим продолжением материала «Симуляторы компьютерных систем – похожи ли на реальность» моего коллеги @alex_dzen.

Из этих трех статей мы знаем, что есть такие симуляторы аппаратного обеспечения и ими пользуются серьезные дядьки из больших компаний. Наверное, меня тоже можно отнести к этим «дядькам», но у меня есть одна слабость — на досуге я люблю что-нибудь паять и использую для проектов «несерьезную» среду Arduino, где в качестве процессоров применятеся что-нибудь из «несерьезных» Atmel-ARM или ESP32-RISC. И интрига в том, можно ли использовать Simics для небольших и хобби-проектов?

Видеокарта для Arduino NANO  с разрешением  256 пикселей по горизонтали, 128 пикселей по вертикали и 256 цветов.

Основой проекта стала ПЛИС EPM240T100C5N   семейства MAX II.

Школа синтеза цифровых схем, о которой вы могли читать месяц назад в посте "Проектировщики RISC-V из Yadro покажут школьникам как проектировать процессоры" - прошла на ура. Все 25 мест в офлайне в Сколково были все время заняты. Присутствовали школьники, студенты, преподаватели вузов и кружков. Всего было подано 86 заявок. Все ~70 FPGA плат которые пожертвовали Наносемантика, Максим Маслов и другие, были быстро разобраны, люди охотно проходили роснановский онлайн-курс чтобы получить сертификат и соответственно плату.

Из новых пунктов программы больше всего интереса вызвали опыты по распознаванию мелодий с помощью zero-crossing и конечных автоматов, реализованных в ПЛИС. Это занятие провели преподавательница флейты Мария Беличенко и молодые инженеры Семён Москоленко (МИРЭА) и Виктор Прутьянов (МФТИ, Сколтех, SberDevices) - см. видео в посте.

Так как школа оказалась популярна, ее решили расширить до полноценного семестрового курса по субботам, начиная с 30 октября 2021, с объемом материала на уровне университетских лабораторных по FPGA (типа MIT 6.111), к которым мы добавили элементы компьютерной архитектуры, базовый туториал для ASIC и некоторые умения из промышленности.

Через неделю будет выставка ChipEXPO, на которой для начинающих будет школа проектирования железа с упражнениями на FPGA платах, а для более продвинутых - конференция Микроархитектура, верификация и физическое проектирование микросхем.

И на части для школьников, и на части для взрослых будут выступать проектировщики RISC-V процессора из Syntacore / Yadro Станислав Жельнио и Никита Поляков. Сегодня Коммерсант сравнил этот проект с полетом на Луну.

Количество заявок на школу существенно превысило количество посадочных мест, но у нас еще остался небольшой резерв FPGA плат, с бесплатной их раздачей школьникам и преподавателям из далеких от Москвы городов, которые могут принять участие в школе онлайн. В начале этой заметке мы опишем как получить плату и установить софтвер нужный для упражнений.

Далее мы расскажем про новые упражнения в школе этого года - распознавание и генерацию музыки с помощью FPGA и приведем забавные сведения из советской физматшкольной книжки 1963 года как Бах изменил гаммы.

В конце поста мы покажем, как эта деятельность поможет получить в будущем интересные и высокооплачиваемые работы в Apple, Intel, SpaceX, как и самом в модном в этом сезоне российском микроэлектронном проекте - Syntacore / Yadro (в конце поста скриншоты их объявлений).

Вступление

Сжатие видео с камеры является важной задачей как при трансляции данных через сеть Интернет, так и при передаче данных через радиоканал. Это позволяет в разы сократить объем передаваемой информации при небольшой потере детализации в исходном видео. Сейчас самым популярным алгоритмом для сжатия видео является кодек h264. Хотя уже существует следующая реализация кодека – h265, но он имеет большую вычислительную сложность алгоритма и пока не нашел столь широкого применения, и его реализацию можно оставить на потом :)

Модельно-ориентированное проектирование - это что?

При разработке алгоритма для ПЛИС можно выделить два основных подхода: написать алгоритм сразу на языке описание аппаратуры VHDL/Verilog/SystemC или использовать более высокоуровневые средства проектирования. Во втором случае вначале строится эталонная модель алгоритма в MATLAB/Simulink, тестируется, верифицируется и постепенно подготавливается к автоматической генерации HDL кода из алгоритма. Конечно, мы выбрали второй вариант, т. е. наш план – на основе MATLAB кода сделать эталонную модель алгоритма Simulink, а после – адаптировать ее к автоматической генерации кода и получить HDL для ПЛИС.

Если вы изучили начала цифровой схемотехники и компьютерной архитектуры по книжке Харрис & Харрис и потом вознамерились пойти собеседоваться на позицию проектировщика микросхем в Apple или NVidia, то вы интервью не пройдете. Посколько вы наверняка получите вопрос про реализацию в хардвере очередей FIFO, а это в Харрис & Харрис не описано.

Хуже того, даже если вы возьмете книжку Digital Design by William Dally & Curtis Harting, которую используют для обучения студентов в Стенфорде, и прочтете ее от корки до корки, то у вас все равно мало шансов, потому что, хотя FIFO там и есть, но в очень базисной форме, а контроль потока данных заканчивается на скид-буферах.

Продолжаю повествование о том, как проходит мое изучение возможностей отладочной платы с SoC Zynq 7000 на базе отладочной платы QMTech. В этой статье я опишу то, как я решал задачу примитивного обмена данными между PS и PL с использованием baremetal application и при использовании Linux. Всем интересующимся добро пожаловать под кат!

Давайте попробуем оптимизировать самый времязатратный этап разработки устройств на базе ПЛИС — отладку прошивки. В этой статье мы расскажем о принципе 20/80 при планировании времени, рассмотрим инструменты для отладки FPGA, вспомним Гордона Мура и Уинстона Черчилля (да-да), затроним отладку сложных распределенных систем и внешних интерфейсов, а в конце — разберемся с типичными ошибками и поделимся полезными практическими советами.

Для начала рассмотрим типовой цикл разработки и моделирования FPGA-прошивки:

Собирая как-то в очередной раз разные ревизии для одного и того же проекта вручную, у нас возникла навязчивая мысль: а можно ли собирать это все автоматически по нажатию одной кнопки? Забегая вперед, сообщим, что мы решили эту проблему, причем мы упростили сборку проекта не только на локальном компьютере, но и запустили удаленную сборку на GitLab CI.

Если вы тоже задавались подобным вопросом, то вполне возможно, что наш опыт и полученное решение вам пригодятся, поэтому приглашаем к дальнейшему прочтению.

Продолжаем изучение SoC Zynq 7000 и разбираемся с тем, как организовать подготовку, сборку Linux для отладочной платы QMTech. В прошлой статье я рассмотрел процедуру быстрой сборки (без кастомизации) основных компонентов встраиваемой системы Linux и шаг за шагом прошли путь до приглашения к вводу в работающей ОС. Согласитесь, что если вы новичок - то работа была выполнена колоссальная! К счастью, всю эту работу можно автоматизировать! И в этой статье я хотел бы уделить внимание этому вопросу и рассказать как это сделать с помощью Buildroot. Эту статью можно считать логическим продолжением общего повествования о начале работы с Linux на Zynq.

Что такое Buildroot, как им пользовать и чем он может быть полезен для нас - я постараюсь раскрыть в этой статье, без углубления в дебри, но в достаточной степени, чтобы вы могли повторить за мной всю последовательность действий и получить желаемый результат.

Всем интересующимся - добро пожаловать под кат!

В этой статье я решил сделать небольшое отступление от общей линии повествования и зарулю на дорогу Linux. За то непродолжительное время, что я работаю с Zynq 7000, в тематических чатах я видел много вопросов насчет того, как запустить Linux на отладке. Я в общем-то, недолго думая, сел проштудировал документацию, примеры и завёл его своими руками под ту плату, что у меня есть в распоряжении. После этого я решил обобщить свои знания по этому вопросу и описать процедуру сборки, подготовки загрузочного образа Linux, который включает в себя U-boot, Device Tree Source, RootFS, и само ядро Linux. В дополнение к этому, я решил немного усложнить задачу и выяснил, как можно поморгать светодиодом подключенным к PL-части устройства из пространства пользователя Linux.

Обо всём этом я написал в этой статье. Всем интересующимся - добро пожаловать под кат.

Продолжаю описывать свою “беготню по граблям” по мере освоения SoC Xilinx Zynq XC7Z020 с использованием отладочной платы QMTech Bajie Board. В этой статье хотелось бы рассказать, как я решил задачу по настройке тактирования из PS, получению и работе с входными сигналами с кнопок, реализацию примитивного фильтра антидребезга и логического элемента "И" в PL.

^{Памяти Ивана Петровича Макарченко
От поклонников его творчества, и по совместительству моих собеседников}

Я эпизодически интересовался компьютерами из серии сделай сам, те которые пользователь может спаять самостоятельно. Интересовался спектрумом и его многочисленными клонами, смотрел современные видео самостоятельных сборок спектрума на ютубе. Совершенно случайно, через знакомого я узнал, о редком, забытом 8 битном компьютере Спринтер, чья разработка внезапно ожила в последнее время. И который, возможно собрать своими руками.

Информации о данном проекте в интернете чрезвычайно мало, есть темы на форуме http://winglion.ru/ . Основные свои представления о Спринтере, я почерпнул из личного общения и telegram, поэтому возможно в моем посте будут содержаться фактические ошибки, или же простое недопонимание. Простой поиск по Хабру показал, что на нем нет статей по компьютеру Спринтер / Sprinter, есть только упоминания о нем в статьях посвященных zx spectrum. Моя статья это попытка закрыть этот пробел. Это моя первая статья на хабре, надеюсь она будет полезной для сообщества компьютера Sprinter, так и интересной для любителей ретро техники. Хотя, она может и выглядит довольно сумбурной. Сейчас необходимо сообщить всем лицам, которые могут быть заинтересованны в данном проекте, о его оживлении, а так же о текущем состоянии дел, кроме того дать ссылки на тематические ресурсы, и каналы связи с разработчиками.

Персональный компьютер Спринтер, достаточно современный 8 -битный компьютер, чья окончательная версия была представлена фирмой Петерсплюс/Peters Plus 7 августа 2000 г. Хотя рабочий прототип был впервые представлен на компьютерной выставке enlight'96, в 1996 году. Его производство было остановлено в 2003 году. 1 февраля 2007 Иван Мак - Иван Макарченко- winglion (разработчик компьютера Спринтер) объявил о том, что фирма Петерсплюс отдала ему все наработки, по - этому компьютеру, и теперь он готов со временем открыть проект. После его смерти, поддержкой, восстановлением проекта, и дальнейшей разработкой данного компьютера занимается группа энтузиастов.

Совсем недавно мне в руки попался один из вариантов отладочной платы с SoC Zynq XC7Z020. Поискав в Интернете материалы, а-ля how-to, и попробовав накидать свой минимальный проект обнаружил, что есть целый ряд подводных камней. Именно об этом я и хотел бы рассказать в статье. Кому интересно - добро пожаловать под кат.

ПЛИС-культ привет, FPGA хаб!

FPGA-движ, хоть и не быстро, но набирает свои обороты и проведение уже второй за полгода встречи ПЛИСоводов, прошедшей в формате конференции, это подтверждает. Мы пересмотрели формат конференции, учли приобретенный ранее опыт организации / проведения мероприятия и также постарались прислушаться к вашим пожеланиям и отзывам. В итоге у нас получилось: два типа докладов (суммарно их было 9 ), хакатон и 3 викторины с призами. Обо всём этом под катом.

Как же разработать свою микросхему. Задался я этим вопросом, когда я захотел создать собственный процессор. Пошёл я гуглить и ничего годного не нашёл. Ответы в основном два։ "Ты не сделаешь свой процессор, потому что слишком сложно" и "Забей и собери компьютер из комплектующих".

Очевидно что это меня не устаивает, поэтому я решил изучить вопрос серьезнее. Оказалось можно сделать свой процессор описав его с помощью Verilog и FPGA. Купил плату в Китае, 3 года спокойным темпами написал свой процессор, оттестировал, скомпилировал и залил на FPGA. Но мне этого не достаточно.

В прошлой статье я попытался с генерировать тактирующий сигнал в ПЛИС на разных примитивах. Из всех рассмотренных вариантов генерации сигнала, самым адекватным получился  клок с генерированный на  блоках LUT.  

Цель. В этот раз я хочу с генерировать клок не на одном примитиве, а на цепочке примитивов. Допустим возьмем один инвертирующий LUT и некоторое количество LUT-повторителей для создания задержки сигнала. Так же хочется посмотреть как будет меняться частота сигнала в зависимости от температуры кристалла.