FPGA *

Предисловие

Меня давно интересовала тема обработки видео, вот только на отладочных платках 7-х и 9-х ARM-ов это получалось очень медленно и от этого становилось не интересно.

В настоящее время полным-полно мощного многоядерного железа и создано много библиотек для работы с видео, но мой выбор пал на ПЛИС.

В прошлой публикации я упомянул, что мой SBC для экспериментов пал смертью храбрых. Само собою, встала проблема нового подопытного.

Простой одноплатник мне как-то не хотелось приобретать, поэтому выбор мой пал на SoC'и. Выбирал я между Zynq и Cyclone V. По названию темы, думаю, догадались, что же я решил выбрать.



Данная публикация будет состоять из небольшого обзора платки с заглавной картинки и того, как «программировать» и «конфигурировать» подобное железо. Кому это интересно прошу под кат.

Думаю многие уже слышали про реализованный московскими разработчиками Байкал Электроникс процессор Байкал-Т1 — с двумя ядрами Imagination Technologies P5600 MIPS 32 r5 и набортным 10GbE. Байкал оказался первым, кто реализовал в кремнии это ядро.

Терзал этот процессор я с перерывами больше года — но наконец под катом могу поделиться результатами.

Всем привет! В этой статье речь пойдет о реализации быстрого преобразования Фурье в формате с плавающей точкой на ПЛИС. Будут показаны основные особенности разработки ядра от самой первой стадии до готового конфигурируемого IP-ядра. В частности, будет проведено сравнение с готовыми ядрами фирмы Xilinx, показаны преимущества и недостатки тех или иных вариантов реализации. В статье будет рассказано о главной особенности ядра БПФ и ОБПФ — об отсутствии необходимости переводить данные в натуральный порядок после БПФ и ОБПФ для их совместной связки. В этой статье я постараюсь отразить всё тонкости реализации проекта под названием FP23FFTK, приведу реальные примеры использования готового ядра. Проект написан на языке VHDL и заточен под FPGA фирмы Xilinx последних семейств.

Поставляемые в составе пакета MIPSfpga документация, ПО и конфигурационные файлы предполагают применение Bus Bluster в качестве аппаратного отладчика. Статья содержит инструкции по использованию для этой цели практически любого USB-UART адаптера, построенного на микросхеме FTDI с поддержкой MPSSE (FT232H, FT2232H, FT4232H, FT2232D). Кратко описывается интеграция среды разработки Visual Studio Code и отладчика GNU GDB.

Все конфигурационные файлы, описываемые в статье, а также часть документации доступны на github.

Элементы системы

Приоритетная структура кода

В разработке электронных устройств грань между разработчиком-схемотехником и разработчиком-программистом очень размыта. Что уж говорит о том, кто должен писать RTL под FPGA.

С одной стороны, RTL — это территория схем, с другой стороны, ресурсы FPGA дешевеют, синтезаторы умнеют. Цена ошибки RTL дизайнера для FPGA не превышает цены ошибки программиста, а созданные схемы можно также обновлять и наращивать по функциональности, как обычную прошивку процессора.

Производители микросхем тоже не отстают, стали паковать ПЛИС в один корпус с процессором, даже Intel выпустил процессор для PC с FPGA внутри, купив для этого известного производителя ПЛИС Altera.

Думаю всем истинным программистам Вселенная шлет сигналы, что им просто необходимо изучить RTL и начать писать “код” для FPGA не хуже, чем под их привычные процессоры.
Когда-то давно, я проходил этот путь и позволю себе дать несколько советов для ускорения.

FIFO это один из ключевых элементов цифровой техники. Это память типа «первым вошёл-первым ушёл» (first input – first output). Меня как разработчика ПЛИС FIFO окружают повсюду. Собственно я только и делаю что беру данные из одного FIFO и перекладываю в другое. Но как оно работает? В современных САПР конечно уже есть готовые элементы, у Altera есть замечательные мегафункции. У Xilinx есть Core Generator. Но что делать если что-то не устраивает в стандартных решениях? Ответ один – разобраться и написать самому.

Современные ПЛИС содержат мультигигабитные линия связи и существует большое количество протоколов для обмена. Однако при ближайшем рассмотрении применять стандартные протоколы в ПЛИС не всегда удобно. Например для ПЛИС Xilinx доступны реализации PCI Express, RapidIO, Aurora; У каждого из них есть недостатки. PCI Express и RapidIO работают с кодировкой 8/10 что сразу ограничивает пропускную способность. Aurora может работать с кодировкой 64/66 но не обеспечивает восстановление данных после сбоя. С учётом недостатков стандартных протоколов и особенностей применения я решил реализовать свой протокол обмена.

Ссылка на первую часть

Рассматриваемая нами конфигурация состоит из следующих элементов:

Шина AHB-Lite

Является основным инструментом для общения ядра MIPSfpga с внешним миром. Из нее в модуль доступа к SDRAM поступают команды на чтение и запись информации, по ней же передаются считываемые и записываемые данные. Основная особенность: фаза адреса последующей команды совпадает по времени с фазой данных текущей команды. Лучше всего это видно на следующей диаграмме:

Краткое описание изображенных сигналов: HCLK — тактовый сигнал; HADDR — адрес, данные по которому мы хотим записать или прочитать на следующей фазе, задается мастером; HWRITE — при высоком уровне на следующей фазе должна быть произведена операция записи, выставляется мастером; HRDATA — прочитанные данные; HREADY — флаг завершения текущей операции; HWDATA — записываемые данные, выставляются мастером. Документация на шину, включая описание всех сигналов и их возможных комбинаций входит в состав пакета MIPSfpga.

На этой неделе я закончил работу по добавлению поддержки SDRAM в проект MIPSfpga-plus. Теперь при работе с MIPSFpga помимо блочной памяти, ограниченной ресурсами ПЛИС, доступно еще и внешнее ОЗУ.

Данная статья состоит из 2 частей:

Часть 1. Краткое описание модуля доступа к SDRAM. Пример использования.
Часть 2. Подробное описание работы с памятью, достаточное для того, чтобы в работе модуля смог разобраться человек, ранее не имевший дела с микросхемами ОЗУ. Список литературы.

Предполагается, что читатель как минимум:

• знаком с предметной областью в объеме учебника Харрис-энд-Харрис [1];
• имеет опыт программирования на C, ассемблере, использования gcc;
• имеет минимальный опыт работы с MIPSfpga. Не имея такого опыта, будет логичным начать с более простых вещей, и лишь затем думать о том, как использовать ОЗУ в своей системе.

Если вы уже опытный разработчик, то Часть 1 стоит пробежать глазами по диагонали, Часть 2 — не содержит для вас ничего нового. При этом вы можете принести несомненную пользу обществу, если добавите поддержку SDRAM для еще одной отладочной платы. На текущий момент она реализована только для Terasic DE10-Lite — одной из 9 плат, на которые в рамках проекта MIPSfpga-plus было портировано ядро MIPSfpga.

Всем привет! Эта статья будет посвящена верификации дизайна конечного автомата управления торговым устройством vending machine, описанного на языке Verilog (дизайн) и System Verilog (верификация).

Вообще в основе публикации лежит мой курсовой проект, который был оценен моим преподавателем по достоинству с предложением сделать публикацию на Хабре.

Основное на чем я хочу акцентировать внимание — это описания типичных блоков multilayer testbench и применение некоторых базовых конструкции языка SystemVerilog и верификации. В основе подхода, который я использовал лежит так называемая Open Verification Methodology (OVM) с изменениями, которые упрощали разработку проекта и были удобны персонально мне.

Итак, поехали!

Всем привет! Надеюсь, все хорошо провели праздники и готовы с новыми силами покорять высоты FPGA разработки.

Сегодня я хочу написать небольшой гайд по запуску тестбенчей на Verilog/SystemVerilog в ModelSim без использования GUI.

План будет такой:

1. Добавление пути к ModelSim в PATH.
2. Написание скрипта с объяснением команд.
3. Запуск ModelSim с исполнением написанного скрипта.

Поехали!

Очередная серия про ПЛИС и отладочную плату Френки. Предыдущие серии 1, 2, 3.

Сделать контроллер елочных гирлянд не просто, а очень просто! Hello World на ПЛИС — это помигать светодиодом. А "С новым годом" на ПЛИС — это помигать несколькими светодиодами. Принцип прост, как и в предыдущих статьях: создаем счетчик, который делит частоту тактового генератора, выбираем биты из слова счетчика, для получения нужной скорости. Несколько бит из этого слова дадут нам определенный шаг отображения (в зависимости от количества выбранных бит 1, 2, 4, 8 и т.д. шагов). В зависимости от номера шага задаем значения для N светодиодов.

Для управления реальной гирляндой, можно взять какой-нибудь shield с электромагнитным реле. У меня оказался вот такой, на 8 реле. Схема подключения. Принципиальная схема.

Сегодня у нас самая предновогодняя серия про ПЛИС и отладочную плату Френки. Предыдущие серии 1, 2.

Мы уже передавали тоновые сигналы по радио с помощью нашей платы Франкенштейн. Теперь попробуем воспроизводить звуки и музыку.

Для этого подключим к ПЛИС обычный динамик. К Френки подключен генератор на 25.175 МГц. Если поделить эту частоту до диапазона слышимых частот и подать на вывод ПЛИС, то мы можем услышать звук. Меня частоту мы можем получить разные звуки.

Тестировать качество звучания будет самый лучший слухач в доме — Маша. Диапазон частот в 60 КГц — это вам не шутки! )))

Продолжение предновогодней серии приключений маленькой ПЛИС Altera EPM7064 на отладочной плате — Франкенштейн. В предыдущей серии...

Настала пора сравнить две ПЛИС из одной весовой категории: Altera EPM7064 и Lattice LC4064v. Хотя, один у них — только вес — это 64 макроячейки. В остальном, судя по параметрам, у этих ПЛИС совсем разные назначения. ПЛИС от Altera, судя по документации 2005 года, является просто не молодой, от этого и обладает низким количеством ячеек. Так же, обладает популярным по тем временам напряжением питания — 5 вольт. Максимальная рабочая частота не превышает 200 МГц. В то же время Lattice может работать до частот в 400 МГц, но при этом, питается от напряжения — 3.3 вольта. Да, это не так удобно, как 5 вольт, если мы хотим взаимодействовать со старыми схемами (однако, заявлена толерантность к 5В). В документации на Lattice этой серии указан 2014 год, поэтому я предположу, что это современные высокоскоростные ПЛИС, но малого объема, и судя по "SuperFAST CPLD" в описании, позиционируются они несколько иначе.

Как нам их сравнить? Попробуем решить на них одну и ту же задачу. Часы на Lattice LC4064v мы уже попробовали сделать и у нас получилось. Теперь попробуем сделать часы на Altera EPM7064 — на нашем Франкенштейне.

Бегут последние деньки уходящего года. Предновогодняя суета. А для тех, у кого выдалась свободная минутка на работе, я предлагаю серию статей про самодельную отладочную плату на базе ПЛИС Altera EPM 7064.



Недавно мне потребовалось найти пару 1U корпусов под мой проект. И в качестве альтернативы новым, мы решили поискать старые приборы в 1U формате, внутренности выкинуть, а корпус использовать по назначению. Но, открыв корпус, я был приятно удивлен! Целых четыре ПЛИС от Altera, да к тому же 5 вольтовых. Я не смог удержаться, чтобы одну из них не попробовать в деле!

Паяльной станции у меня нет, ЛУТ технологию я не практикую. Поэтому я взял строительный фен на 250 градусов и отковырял микросхему ПЛИС от платы. Переходной платы для такого корпуса у меня тоже не было, поэтому я взял обычную макетку, впаял в нее стойки и с помощью накрутки и пайки, соединил выводы микросхемы со стойками. Вывел разъем JTAG и питания, прикрутил генератор. Это все, что нужно для начала работы с микросхемой

Что можно сделать из такой маленькой ПЛИС? Радиолюбители решают такую проблему очень просто: в любой непонятной ситуации мы делаем передатчики! Из чего? Да из чего угодно, что под руку попало в данный момент! А сегодня у нас Altera EPM7064.

Все началось с того, что я решил поближе познакомиться с биткоинами. Хотелось понять, как их добывают. Статьи про биткоины и блокчейны последнее время встречаются часто, но таких, чтобы со всеми техническими подробностями, таких не очень много.

Самый простой способ разобраться во всех деталях — изучить открытые исходники. Я взялся изучать Verilog исходники FPGA-майнера. Это не единственный такой проект, есть еще несколько примеров на github, и все они, хоть и разных авторов, похоже работают приблизительно по одной схеме. Вполне возможно, что автор то у них всех изначально был один, просто разные разработчики адаптируют один и тот же код под разные чипы и разные платы… По крайней мере мне так показалось…

Вот и я, поизучав исходники Verilog, адаптировал проект с github к плате Марсоход3 на основе ПЛИС Altera MAX10, 50 тыс. логических элементов. Я смог запустить свой майнер и даже смог запустить процесс вычисления биткоинов, но бросил это дело через пол часа из-за бесперспективности. Слишком медленно по нынешним временам работает мой FPGA майнер. Ну и пусть.

Честно говоря, меня во всем этом проекте заинтересовали не сами биткоины (ну их, эти денежные суррогаты), но скорее математическая сторона алгоритма SHA256. Вот об этом я и хотел бы поговорить. Я провел несколько экспериментов с алгоритмом SHA256, может быть результаты этих экспериментов покажутся вам интересными.

Год назад вышло бесплатное электронное издание на русском языке всеохватного вводного учебника Дэвида Харриса и Сары Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера». Книга попала в струю, ее скачивания завалили британский сайт Imagination Technologies (дважды — 1, 2), после чего учебник стали использовать преподаватели московских МФТИ, МГТУ, питерского ИТМО, киевского КНУ, КПИ и других вузов. Интересной особенностью учебника является то, что его перевод на русский сделала группа энтузиастов: преподавателей российских и украинских университетов, русских сотрудников компаний в Silicon Valley (AMD, Synopsys, Apple, NVidia ...) и российских компаний (НИИСИ, МЦСТ, Модуль ...).

При этом, электронное издание Харрис-энд-Харрис сформатировано для планшета, и уже после первых скачиваний посыпались емейлы, когда же учебник будет и на бумаге. И вот час настал — Учебник Дэвида Харриса и Сары Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» можно заказать на бумаге (выходит в новогоднюю ночь). В этом посте я покажу, чем этот учебник отличается от других. Бонус: фотки участников и участниц проекта!



Есть много учебников, которые хорошо вводят в цифровую логику на уровне триггеров и мультиплексоров, или в программирование готовых микроконтроллеров на ассемблере, или показывают красивые диаграммы процессорных конвейеров, или обучают синтаксису Verilog или VHDL. Но если учить скажем микроархитектуре без HDL, или если например пропускать уровни между триггером и программированием микроконтроллера, то получатся студенты, которые могут сдать экзамен и спорить умными словами в интернете, но ничего не могут сделать практически.

Учебник H&H решает эту проблему:

Многие начинающие разработчики часто недооценивают влияние асинхронности на работу цифровых схем. В проектах с одним тактовым генератором сложностей не возникает: схема полностью синхронна, и от разработчика требуется только соблюдать требования Setup и Hold. Но как только в системе появляется второй тактовый генератор, возникает проблема CDC – Clock Domains Crossing, связанная с асинхронностью работы участков схемы, работающих от независимых (асинхронных) генераторов. На практике эта проблема выливается в усложнение маршрута проектирования, связанное с особенностями статического временного анализа в САПР, а в железе проявляется в виде такого эффекта как метастабильность, и аномальное поведение триггеров. Собственно, о метастабильности здесь уже писали, но я предлагаю чуть глубже разобраться в проблеме.

Функциональные языки, как правило, не слишком подходят для низкоуровнеого программирования, хотя и применяются для кодогенерации.


Но если спуститься еще ниже, на уровень аппаратуры, то неожиданно ФП оказывается очень кстати. Ведь блок комбитаторной логики не что иное, как функция из величин входящих сигналов в величины исходящих, а для последовательной логики достаточно добавить в параметры и результат старое и новое состояние.