FPGA *

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.

P4 — это язык программирования, предназначенный для программирования правил маршрутизации пакетов. В отличие от языка общего назначения, такого как C или Python, P4 — это предметно-ориентированный язык с рядом конструкций, оптимизированных для сетевой маршрутизации.

P4 — это язык с открытым исходным кодом, лицензируемый и поддерживаемый некоммерческой организацией, которая называется P4 Language Consortium. Он также поддерживается Open Networking Foundation (ONF) и Linux Foundation (LF) — двумя крупнейшими зонтичными организациями в проектах с открытым исходным кодом в области сетевых технологий.

В 2015 году Intel приобрела компанию Altera — одного из известнейших разработчиков FPGA и SoC. Постепенно все продукты Altera — как аппаратные, так и программные — сменили свое название, в частности, ПО для дизайна FPGA-систем Altera Quartus стало именоваться Intel Quartus Prime. Мы часто упоминали о нем в связи с выходом очередных FPGA Intel, но никогда не описывали подробно. Сейчас есть время это сделать, тем более что со времен смены имени вышло уже несколько больших релизов, принесших новый функционал и поддержку новых устройств.

На картинке Linux kernel шлёт вам привет через GPIO.

В этой части истории с портированием RISC-V RocketChip на китайскую плату с Cyclone IV мы всё-таки запустим Linux, а также научимся сами конфигурировать IP Core контроллера памяти и чуть подредактируем dts-описание аппаратуры. Эта статья является продолжением третьей части, но, в отличие от изрядно разросшейся предыдущей, она будет довольно короткой.

В предыдущей части был реализован более-менее работающий контроллер памяти, а точнее — обёртка над IP Core из Quartus, являющаяся переходником на TileLink. Сегодня же в рубрике «Портируем RocketChip на малоизвестную китайскую плату с Циклоном» вы увидите работающую консоль. Процесс несколько затянулся: я уже было думал, что сейчас по-быстрому запущу Linux, и пойдём дальше, но не тут то было. В этой части предлагаю посмотреть на процесс запуска U-Boot, BBL, и робкие попытки Linux kernel инициализироваться. Но консоль есть — U-Boot-овская, и довольно-таки продвинутая, имеющая многое из того, что вы ожидаете от полноценной консоли.

В аппаратной части добавится SD-карта, подключённая по интерфейсу SPI, а также UART. В программной части BootROM будет заменён с xip на sdboot и, собственно, добавлены следующие стадии загрузки (на SD-карте).

Я решил написать эту заметку на Хабре по-русски и по-английски, чтобы раздавать ссылку на нее как в англо- так и в русско-язычные форумы и группы. Русский текст не является переводом английского и наоборот — я просто написал заметку дважды (терпеть не могу переводить). Желающие покритиковать мой английский сразу направляются в конец поста, где они будут шокированы моим акцентом в длинном многочасовом видео. Я рассматриваю свой акцент не как bug, а как feature. Мы все знаем, что многие американки считают например носоглоточный британский акцент привлекательным. Настала пора придать такой же статус и суровому русскому акценту. Для этого нужно как можно большему количеству русских произносить речи на разнообразных международных мероприятиях. Наш пароль «лет ми спик фром май харт».

Но сначала о выставке.

Миллионы потребителей гаджетов всей планеты следят за выставкой Consumer Electronics Show (CES), которая проходит в Лас-Вегасе в январе. Они, никогда не знавшие, что такое D-триггер, важно рассуждают, чем четыре гигагерца лучше чем три в последних процессорах от AMD и Qualcomm-а. Но есть выставка, ориентированная не на потребителей, а на разработчиков электроники. Эта выставка называется Design Automation Conference (DAC), и она в некоторые годы тоже проходит в Лас-Вегасе, но не в декабре, а в июне.

Millions of gadget lovers every year watch the Consumer Electronics Show (CES) which takes place in Las Vegas in January. Those folks, who never learned the function of a D-flip-flop and how the static timing is calculated, discuss gigahertz frequencies after reading the latest articles in Wired magazine they perceive as a technical publication. However there is another conference, not for the consumers, but for the creators of electronics. This conference is called the Design Automation Conference (DAC) and it also takes place in Las Vegas, although not every year, and not in January, but in June.

В этом посте я поделюсь тем, как разбирался с написанием DDS синтезатора на Verilog. Он будет использован для генерации синусоидального колебания, частоту и начальную фазу которого можно регулировать и рассчитан для использования с 8-битным однополярным ЦАП. О том, как работает синтезатор хорошо написано в статье журнала Компоненты и Технологии. Для сокращения объема использованной памяти таблицы синуса использована симметрия.

В последнее время производители FPGA и сторонние компании активно развивают методы разработки для FPGA, отличающиеся от привычных подходов использованием высокоуровневых средств разработки.

Являясь FPGA-разработчиком, в качестве основного инструмента я использую язык описания аппаратуры (HDL) Verilog, но растущая популярность новых методов вызвала у меня большой интерес, поэтому в данной статье я решил сам разобрать что к чему.

Эта статья — не руководство или инструкция к пользованию, это мой обзор и выводы о том, что могут дать различные высокоуровневые средства разработки FPGA-разработчику или программисту, который хочет окунуться в мир FPGA. Для того, чтобы сравнить самые интересные на мой взгляд средства разработки, я написал несколько тестов и проанализировал полученные результаты. Под катом — что из этого вышло.

В предыдущей части мы собрали микроконтроллер вообще без оперативной памяти на базе ПЛИС Altera/Intel. Однако на плате есть разъём с установленным SO-DIMM DDR2 1Gb, который, очевидно, хочется использовать. Для этого нам потребуется обернуть DDR2-контроллер с интерфейсом ALTMEMPHY в модуль, понятный для протокола работы с памятью TileLink, используемого повсюду в RocketChip. Под катом — тактильная отладка, брутфорс программирование и ГРАБЛИ.

Как известно, в Computer Science есть две главные проблемы: инвалидация кешей и именование переменных. На КДПВ вы видите редкий момент — две главные проблемы CS встретили друг друга и что-то замышляют.

Недавно на Хабре публиковалась статья о том, как поэкспериментировать с архитектурой RISC-V без затрат на «железо». А что, если сделать подобное на отладочной плате? Помните мемы про генератор игр: штук 20 галочек в стиле «Графика не хуже Кризиса», «Можно грабить корованы» и кнопка «Сгенерировать». Приблизительно так же устроен генератор SoC-ов RocketChip, только там не окно с галочками, а Scala-код и немного ассемблера и Make-файлов. В этой статье я покажу, как просто портировать этот RocketChip с родного для него Xilinx на Altera/Intel.

В асинхронной науке центральное место занимает свойство схем, называемое независимостью от скорости, по английски speed independent (далее SI). Считается, что это свойство является аналогом независимости асинхронных схем от задержек логических элементов. Неудивительно, что термин SI упоминается практически в каждой работе по асинхронике. Но периодически по части этого термина возникают какие-то смутные сомнения. Не случайно, что все чаще этот термин заменяется другим термином, именуемом самосинхронностью. Прояснить эту ситуацию поможет обращение к первоисточнику. Речь идет о втором томе книги Р. Миллера «Теория переключательных схем», а если точнее, о главе 10, именуемой «Теория переключательных схем, не зависящих от скорости».

В апреле был роснановский семинар по современной схемотехнике для школьников олимпиадного типа. После него группа организаторов собралась в фойе и долго ломала голову, как сделать предмет более интересным и при этом полезным. Чтобы ввести Verilog и ПЛИС например в формат Олимпиад НТИ. Было решено отказаться от математически интересных, но несколько абстрактных для школьника задач типа протоколов когерентности кэшей в многопроцессорных системах. Также не вызвала особого энтузиазма идея автоматической теплицы с датчиками, так как ее сто раз реализовали на ардуино и STM32, и ПЛИС-ы не добавляют в теплицы ничего интересного.

И вдруг — Эврика! А если проводить соревнования по графическим играми, сделанных на чистой схемотехнике, без программирования, как делали игры типа Пин-Понг наши предки во времена Брежнева и Картера. И проводить не на древних микросхемах К561, а на современных Xilinx и Altera (то бишь Intel FPGA) и с использованием тех же технологий проектирования на уровне регистровых передач, которые используют проектировщики в Apple, Intel и SpaceX.

Короче, мы этим займемся в 8-26 июля на летней школе в Зеленограде. Часть школы, о плане которой пойдет речь в этом пост, посвящена основам цифровой схемотехники, первым шагам в архитектуру и микроархитектуру процессоров, а также (даже скорее в основном) аппаратной компьютерной графике.

Я попробую привезти в Зеленоград в качестве помощницы свою дочь-студентку Элизабет, если она вовремя получит паспорт и российскую визу. Элизабет, будучи русско-украинско-японкой, владеет только английским. Вот в Зеленограде и выучит основы русского. А заодно научит правильному английскому произношению инструкторов, которые готовы помочь на школе (необязательно из МИЭТ, можно из МФТИ, МГУ, МИФИ):