FPGA *

Буквально на днях на arXiv-е была выложена очень занятная статья швейцарских исследователей, в которой представлены подробности проекта LLHD. Это проект создания многоуровневого промежуточного представления для языков описания аппаратуры, наследующий идеологию и принципы проекта LLVM.

Говоря простыми словами — это новый язык описания аппаратуры, лишенный недостатков его предшественников и уже сейчас демонстрирущий приличную производительность, гибкость и совместимость с существующей инфраструктурой. Приятным моментом является то, что код основных инструментов написан на языке Rust.

Предлагаемая иерархия инструментов (здесь и далее изображения из оригинальной статьи)

У проекта есть все шансы стать тем же, чем GCC и LLVM в свое время стали для мира открытого программного обеспечения. Сложно даже представить, насколько это может изменить ситуацию вокруг разработки железа.

Под катом описание текущего положения дел, краткий обзор языка и отличия нового подхода.

Введение

Знакомый многим интерфейс PCI Express или PCIe был доступен разработчикам систем на ПЛИС уже тогда, когда он только начинал распространяться в цифровой технике. В это время существовало решение, в котором программное ядро подключалось ко внешней микросхеме физического уровня [5]. Это позволяло создавать одноканальную линию PCIe со скоростью 2,5 гигатранзакций в секунду. В дальнейшем, благодаря развитию технологий, физический уровень интерфейса перекочевал в аппаратные блоки PCIe внутри самих ПЛИС; количество возможных каналов увеличилось до 8, а в ряде новых микросхем — и до 16; вслед за современными стандартами выросли возможные скорости передачи данных.

В то же время, в русскоязычных источниках по-прежнему затруднительно найти вспомогательные материалы по работе с аппаратными ядрами современных ПЛИС, не так и много информации доступно по самому интерфейсу PCIe. Руководство к аппаратным ядрам PCI Express подразумевает, что разработчик уже ознакомился со стандартом и понимает основы передачи данных между устройством и персональным компьютером (ПК). Однако обилие информации в самом стандарте PCIe не дает сразу же разобраться в том, какие шаги необходимо предпринять, чтобы успешно передать данные от устройства в память ПК или обратно. Чтобы получить более полную картину, немалую часть сведений приходится собирать по крупицам из разных источников. Для разработчиков систем на ПЛИС фирмы Intel сложность также заключается в том, что большинство доступных материалов и статей описывают работу с аппаратными ядрами ПЛИС фирмы Xilinx.

В данной статье автор постарается рассказать о том, что необходимо знать разработчику систем на ПЛИС для работы с интерфейсом PCI Express; рассмотрит особенности работы с аппаратными ядрами PCI Express ПЛИС V-й серии фирмы Intel в варианте Avalon-ST.

Собственный софт-процессор на ПЛИС с компилятором языка высокого уровня или Песнь о МышЕ — опыт адаптации компилятора языка высокого уровня к стековому процессорному ядру.

Распространенной проблемой для софт-процессоров является отсутствие средств разработки для них, особенно, если их система команд не является подмножеством команд одного их популярных процессорных ядер. Разработчики в этом случае вынуждены будут решать эту проблему. Прямым её решением является создание компилятора языка ассемблера. Однако в современных реалиях не всегда удобно работать на Ассемблере, так как в процессе развития проекта может изменяться система команд в связи, например, с изменившимися требованиями. Поэтому задача легкой реализации компилятора языка высокого уровня (ЯВУ) для софт-процессора является актуальной.

Компилятор языка Python — Uzh представляется легким и удобным инструментарием для разработки программного обеспечения для софт-процессоров. Инструментарий определения примитивов и макросов как функций целевого языка позволяет критичные места реализовывать на ассемблере процессора. В данной работе рассмотрены основные моменты адаптации компилятора для процессоров стековой архитектуры.

Лёшенька, Лёшенька, сделай одолжение!
Выучи, Алёшенька, таблицу умножения !
Агния Барто


Сначала задачка для первоклассника. Дано некоторое положительное число. Нужно умножить на него другое число, заранее неизвестное. Вопрос, как посоветуют это сделать благородные доны ??? Бывалый разраб наверняка скажет, мол мужик, ставь умножитель и не парь мне мОзги. И возможно будет в корне неправ! Ибо кроме монстров от Alterra и Xilinx существует ещё и такое замечательное семейство как iCE-40 от Lattice. Ультрамикропотребляющее. Очень дешевое. Да вот беда, больно мелкие они, и увы, умножителей там нет. Я столкнулся с этим года 4 назад, когда портировал некий ADPCM-кодек с ассемблера adsp-2185 на такой кристалл.

В первой статье я хотел показать, что FPGA девелопмент — интереснейшее занятие, а реализация потокового инкапсулятора является достаточно несложным проектом, который вполне мог бы выступить в качестве академического проекта для студентов старших курсов или аспирантуры.

Даже несмотря на то что хардварный дизайн стоит того что бы заниматься им исключительно для удовольствия, в данной статье мне хочется уделить внимание практической ценности данного занятия. В частности, наш разговор пойдет от том как создать сетевую инфраструктуру для операторов связи с использованием инкапсулятора Etherblade.net, реализованного на FPGA.

Данный текст является некоторым экскурсом в сетевые технологии и для того чтобы уместить такую обширную тему в рамках одной статьи, я решил написать ее в контексте некоторого плана действий или, если желаете, ответа на следующий вопрос – «Как используя FPGA и опенсорс максимально эффективно заместить оборудование от Cisco и Juniper».
Итак, начнем.

В связи с загруженностью специалистов, несколько лет назад мы вынуждены были отдать одну разработку контрагентам. Разработка велась на модуле Mars ZX3 фирмы Enclustra, в котором используется SOC ARM+FPGA Zynq-7020. Для сборки Linux использовался BSP от Enclustra (bsp-xilinx), который был немного модифицирован.

В процессе тестирования разработанного программного обеспечения, мы сразу же столкнулись с отказами ПО при выключении питания. При анализе, обнаружилось, что команды конфигурирования, отправляемые на устройство по сети, записывались в файлы, которые, при сбое питания, иногда оказывались пустыми или отсутствовали совсем. Это вынудило нас пересмотреть идеологию построения переданной нам сборки Linux. Сам процесс построения системы хорошо описан на сайте изготовителя модуля, поэтому не буду на нем останавливаться. Опишу только то, что позволило решить стоящую перед нами задачу повышения надежности и предотвращения отказов.

Я постараюсь в общем рассказать о верификации цифровых схем.

Верификация в данной области — это важный процесс, требующий привлечения опытных инженеров. Например, специалист по верификации, работающий над системами с ЦПУ, как правило должен владеть скриптовыми языками и языками командных оболочек (Tcl, bash, Makefile и т.п.), языками программирования (С, С++, ассемблер), HDL/HDVL (SystemVerilog [10, Appendix C — история языка][11], Verilog, VHDL), современными методологиями и framework’ами (UVM).

Доля времени, затраченного на верификацию, доходит до 70-80% от всего времени проекта. Одна из основных причин такого внимания в том, что к микросхеме нельзя выпустить “патч” после того, как ее отдали в производство, можно только выпустить “silicon errata” (это не касается проектов ПЛИС/FPGA).

Под цифровыми схемами я подразумеваю:

• сложно-функциональные блоки/intellectual properties (СФБ/IP);
• специализированные заказные микросхемы/application-specific integrated circuit (ASIC);
• проекты программируемых логических интегральных схем/field-programmable gate array (ПЛИС/FPGA);
• системы на кристалле/system-on-crystal (СнК/SoC);
• и т.п.

Каждый год 31-го декабря я в костюме Деда Мороза и жена в роли Снегурочки разъезжаем по городу по своим друзьям с поздравлениями. Поскольку уже скоро наступит Новый Год, я решил проверить, все ли у меня к нему готово и достал из подвала свой давно видавший виды посох. К моему удивлению, пролежав в подвале целый год он исправно работал даже сейчас! Его аккумулятор все еще как-то заряжен! Посох не очень ярко, но светится. Конечно придется подзарядить, да и смотрю один светодиод перестал работать, но это дело поправимое — починим.

Этот посох я изготовил еще в 2012-м году и с тех пор он служил мне верой и правдой. Штука достаточно простая, но очень эффектная, особенно ему радуются дети. Он почти как меч джедая — только посох, а для настоящего Деда Мороза — это вещь просто необходимая. Решил написать про него здесь на Хабре — вдруг кто-то проникнется идеей и сделает такой и себе к Новому Году, время еще есть.

Аннотация

Безумию все возрасты покорны

При проектировании каких-либо модулей на ПЛИС невольно иногда приходит в голову мысль о не совсем стандартном использовании самой среды проектирования и инструментов, которые она предоставляет для проектирования. В этой небольшой заметке мы рассмотрим, как с помощью инструмента управления средой, реализованного на Tcl, мы можем буквально рисовать на ПЛИС фотографии, картины, портреты и мемасики.

Такой необычный «маршрут проектирования» был реализован еще полтора года тому назад, но вот только сейчас пришла мысль оформить его в виде заметки, в которой имеется небольшая практика применения Tcl скриптов для управления средой проектирования, в данном случае Vivado. Однако при небольших доработках все легко может быть адаптировано под другие среды разработки, например Quartus II.

Аннотация

Интерфейс MIPI сегодня становится всё более популярным интерфейсом для подключения камер и дисплеев. По этой причине всё больше отладочных комплектов на основе FPGA содержат на борту соединители интерфейса MIPI – как для подключения камер(ы) и дисплея(ев). Для того чтобы начать работать с новой технологией или просто посмотреть что она собой представляет разработчики пытаются отыскать на просторах интернета подходящее руководство, в котором были бы описаны соответствующие нюансы работы. С одной стороны тестовый пример должен достаточно просто подниматься на отладочном комплекте, а с другой стороны давать достаточно простое и широкое понимание происходящего в этом тестовом примере.

Цель статьи – показать, как начать работать с интерфейсом MIPI используя одну из новейших отладок от Xilinx – SP701, камеру с интерфейсом MIPI от компании Digilent PCAM-5C и среду разработки Vivado+VITIS(SDK) от компании Xilinx

Введение

Как-то раз мне потребовалось по работе реализовать небольшой блок CAM (ассоциативной памяти). Почитав, как это делается у Xilinx на BRAM (блоках статической памяти) или на SRL16 (16 — битных сдвиговых регистрах), я несколько опечалился, так как их реализации занимали довольно много места. Решил попробовать сделать его самостоятельно. Первым вариантом стала реализация в лоб. Забегая вперед, она практически сходу мне и подошла, благо, целевая частота для дизайна была всего 125 МГц.

Важной практической задачей является использование Matlab/Simulink с реальной аппаратурой которая позволит принять сигнал из реального мира. Это очень полезно для отладки алгоритмов. В данной работе представлена технология подключения к Simulink устройств АЦП производства АО «ИнСис». Для подключения используется DLL, которая видна в Simulink как компонент sm_adc. Для работы с аппаратурой используется отдельная консольная программа. Связь с DLL производится через разделяемую память. По данной технологии могут быть подключены любые АЦП на любых несущих модулях АО «ИнСис». В работе представлена система из генератора A7_DAC и модуля сбора FMC128E/FM412x500M.

Данная работа демонстрировалась на конференции «Технологии разработки и отладки сложных технических систем» 27-28 марта 2018 года.

Еще с 1990-х годов меня поражало, что проектирование всей мировой цифровой микроэлектроники контролируется двумя конторами в Калифорнии, которые находятся в 10 минутах езды друг от друга — Synopsys и Cadence. В те времена четверть мирового проектирования делалось в Японии (континентальный Китай тогда находился в примитивном состоянии), и все эти Sony, Hitachi, Fujitsu и другие гиганты ездили на поклон в Америку и платили несчетные миллионы долларов за программы, которые потом использовали японские проектировщики. Сейчас это продолжается с Samsung, Huawei и даже с российскими конторами, которые проектируют микросхемы для космоса.

Русская земля умудрилась вырастить Yandex супротив Гугла, так почему бы и не попробовать создать какие-нибудь программы для проектирования микросхем? Начать можно с малого: популяризовать конкурсы и хакатоны по разработке алгоритмов автоматизации проектирования (Electronic Design Automation — EDA). Эти алгоритмы удобны тем, что у них много уровней сложности: простейшую программу Place & Route может написать студент за выходные, но вот на продвинутую потребуются десятилетия работы сотен людей и миллиарды долларов на R&D.

Сейчас в Иннополисе возле Казани делают мероприятие для студентов в формате «две недели подготовки + хакатон». Одной из тем стала традиционная задача EDA — размещение и трассировка графа электронной схемы на ряды стандартных ячеек. Будет интересно увидеть, что за это короткое время сможет осуществить небольшая команда студентов-программистов с базовым пониманием C++/Java/Python, методов парсирования текста, алгоритмов работы с графами и навыками визуализации структур данных с помощью GUI.

Итак — постановка задачи:

Вычисление логарифмов довольно распространённая операция в цифровой обработке сигналов. Чаще пожалуй приходится считать только свёртки (умножение с накоплением) и амплитуды с фазами. Как правило для вычисления логарифмов на FPGA применяется алгоритм CORDIC в гиперболическом варианте, требующий только таблицы и простых арифметических операций. Однако это не всегда бывает удобно, особенно если проект большой, кристалл маленький и начинаются танцы с оптимизацией. Именно с такой ситуацией и пришлось мне однажды столкнуться. Оба порта блока RAM (Cyclone IV) уже плотненько были в работе, не оставляя свободных окон. Использовать ещё один блок под гиперболический CORDIC не хотелось. Зато был умножитель, для которого во временной диаграмме получалось приличное свободное окно. Денёк подумав, я сочинил следующий алгоритм, в котором не используется таблиц, но есть умножение, точнее возведение в квадрат. И поскольку схемотехнически возведение в квадрат проще общего случая умножения, возможно этот алгоритм представляет интерес для специализированных микросхем, хотя для FPGA разницы конечно нет. Подробнее под катом.

Выводя в свет свою новую 10-нм линейку FPGA Agilex, Intel одновременно завершает формировать уже широко известное и хорошо зарекомендовавшее себя семейство Intel Stratix 10. Последняя из выведенных на рынок разновидностей, 10 DX, характеризуется архитектурными нововведениями и более тесной интеграцией с серверными процессорами Intel Xeon. Возможно, это наш последний повод поговорить об Intel Stratix 10, поэтому давайте сделаем небольшой обзор всего семейства, особо уделив внимание новинке.

Буквально вслед за 10-нм процессорами Ice Lake Intel выпускает новое поколение своих FPGA, также производимых по 10-нм техпроцессу. Новая серия получила наименование Intel Agilex; по традиции, идущей со времен Altera, она разбита на несколько классов устройств для различных применений. В этом посте — общий обзор всей линейки Agilex.

Наконец-то в России вышел учебник по SystemVerilog уровнем выше чем для начинающих. Учебник описывает технологии и приемы, которые спрашивают на интервью в NVidia, Intel, AMD, Apple и другие электронные компании: использование concurrent assertions и functional coverage, что сейчас требуют не только от инженеров по верификации, но и от дизайнеров микросхем; алгоритм работы симулятора с дельта-циклами; вменяемое объяснение static timing analysis; схемы коммуникации аппаратных блоков через аппаратные очереди; реализацию этих коммуникаций с помощью конечных автоматов с трактами данных и т.д.

В главе про последнее российского читателя может озадачить упоминание «политкорректной системы». Что бы это значило? Это вероятно намек на казус, который произошел в округе Лос-Анжелес в 2003 году. Чиновники Лос-Анджелеса попросили производителей, поставщиков и подрядчиков прекратить использование терминов «master/slave» («хозяин» и «раб») в отношении компьютерного оборудования, так как одному из работников округа эти термины напомнили про рабовладельческое прошлое.

Сейчас авторы технической литературы избегают терминов master/slave. В современной Америке работают и афро-американские инженеры (например София Мвокани из Камеруна — на фото слева), и использование старых терминов выглядит архаично, как выглядели бы например термины «пан/холоп» в украинской технической литературе вместо принятых «провідний/ведений» (рус. «ведущий/ведомый»).

Это не первый раз, когда в российском электронном образовании появляется тема борьбы афро-американцев за гражданские права. Например Татьяна Волкова, известный специалист по образованию в электронике, носит маечку с эмблемой «Черных Пантер», калифорнийского движения, которое в свое время сочло мирный протест недостаточным, и занялось вооруженным протестом.



Полное изображение эмблемы под кожанкой Татьяны Александровны — под катом, но в основном я буду рассказывать про дельта-циклы и конечные автоматы:

В данной статье разбор простейшей реализации RAM на языке Verilog.

Перед тем, как перейти к разбору кода, рекомендуется изучить базовый синтаксис языка Verilog.

Здесь вы можете найти обучающие материалы.

В предыдущих четырёх частях велась подготовка к экспериментам с RISC-V ядром RocketChip, а именно, портирование этого ядра на «нестандартную» для него плату с ПЛИС фирмы Altera (теперь уже Intel). Наконец, в прошлой части на этой плате получилось запустить Linux. Знаете, что меня во всём этом забавляло? То, что одновременно приходилось работать с ассемблером RISC-V, C и Scala, и из всех них Scala была самым низкоуровневым языком (потому что именно на ней написан процессор).

Давайте в этой статье сделаем так, чтобы C тоже не было обидно. Более того, если связка Scala+Chisel использовалась лишь как domain-specific language для явного описания аппаратуры, то сегодня мы научимся «затягивать» простенькие функции на C в процессор в виде инструкций.

Конечная же цель — тривиальная реализация тривиальных AFL-like инструментаций по аналогии с QInst, а реализация отдельностоящих инструкций — лишь побочный продукт.

Перейдем к вычислению логических функций по графу для более широкого класса поведений. Будем рассматривать циклические автономные поведения, не содержащие кратных сигналов (или по другому: не содержащие индексированных событий). Еще одно ограничение: для удобства не будем рассматривать соединение параллельных ветвей по ИЛИ. Рассматриваем только соединение по И, то есть событие инициируется только тогда, когда сработают все его события-предшественники.

Для описания поведения будем использовать STG, но с дополнительными ограничениями. Для каждого плэйса количество входящих в него и выходящих из него дуг равно строго по одной. Соответственно, плэйс с входящей и выходящей дугами можно рассматривать как одну дугу, соединяющую два события (перехода). Соответственно маркировка перемещается по дугам. Так как поведения с кратными сигналами сейчас не рассматриваются, индексы при событиях запрещены, они не нужны. Пустые события запрещены. Также запрещена ситуация, когда две дуги, входящие в одно событие, выходят из событий, которые не параллельны друг другу (частный случай — из одного и того же события). Цель этого — избавиться от дуг, не несущих смысловой нагрузки. В остальном рассматривается корректное (нормальное, живое, безопасное) с точки зрения STG поведение с учетом вышеизложенных ограничений. Поведение не содержит CSC конфликтов.