FPGA *

Александр Кушнеров
10.01.2025

 Аннотация – Дизайн замкнутых комбинационных схем основан на законах поглощения конъюнкций и дизъюнкций. Если в такой схеме используется только один выход, то её транзисторная реализация будет избыточной, а граф этой реализации будет содержать ложные циклы. Значения на выходах комбинационной схемы, в том числе и замкнутой, можно считать правильными лишь через какое-то время, необходимое для завершения всех переходных процессов. В статье показано как дополнить замкнутую схему индикатором завершения переходных процессов, т.е. сделать её асинхронной.

1. Введение

Замыкание выхода комбинационной схемы на один или несколько её входов может дать новую комбинационную схему. Поскольку данные обрабатываются от входов к выходам, обратную связь можно представить как направленную петлю на графе. С другой стороны, графы, которые задают контактные мостиковые схемы, содержат не направленные петли (циклы). Именно из-за петель такие схемы часто являются минимальными. Преобразование графа мостиковой схемы в последовательно-параллельный соответствует схеме на логических элементах. Это преобразование размыкает все петли и называется декомпозиция в базисе И/ИЛИ. Мы будем рассматривать декомпозицию, которая даёт минимальное количество логических элементов. Чтобы корректно замкнуть полученные схемы нужно выполнить определённые условия. В качестве этих условий мы используем известную замкнутую схему.

В инженерной практике релейно-контактные мостиковые схемы начали использоваться по крайней мере со второй половины 1890-х годов [1]. Однако, привлечение булевой алгебры для их анализа и синтеза состоялось лишь во второй половине 1930-х годов [2]. Рассмотрим простейшую мостиковую схему из пяти замыкающих ключей (контактов), назовём её K5. Каждый ключ в этой схеме управляется своей переменной. Присвоить переменные можно например так, как показано в Табл. 1. Последовательное соединение ключей записывается как произведение переменных, а параллельное – как сумма. Таким образом, чтобы записать булеву функцию схемы в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ), нужно найти все возможные пути от входа к выходу.

Автору всегда нравилась идея Litex, фреймворка для простой сборки SoC на FPGA, но постоянно не хватало времени, чтобы попробовать. Пришло время изменить это и задокументировать процесс! Мы будем использовать плату FPGA Sipeed Tang Nano 9K, которая является относительно недорогим оборудованием, тем не менее большая часть этой статьи применима к любому поддерживаемому Litex FPGA.

О платформе

Опишу, как «поднять» SPI в Линуксе (Убунту), подключить экранчик 12 864 с контроллером ST7920 (бывают и другие варианты контроллеров) к ZYNQ-7010 и отобразить на нём текст, линию и прямоугольник, используя Питон.

Приглашаем верификаторов, RTL-инженеров и FPGA-разработчиков на конференцию FPGA-Systems 2024.1 в Санкт-Петербурге и онлайн. Обсудим аспекты безопасности в рамках систем на кристалле, тестирование верификационных компонентов, фреймворк PyUVM и его использование для верификации цифровых дизайнов ASIC и FPGA, разработку трансиверов и многое другое. 

Регистрация уже открыта — заполняйте форму по ссылке и присоединяйтесь к конференции. Под катом — полная программа встречи.

В данной статье я постараюсь описать процесс создания кастомного образа Linux на Zynq UltraScale+ MPSoCс. Каждый необходимый компонент будет собран отдельно с использованием соответствующих утилит. Статья разбита на разделы, которые шаг за шагом знакомят вас с процессом сборки и запуска системы на данной платформе.

Несколько лет назад мне довелось посетить университет Харви-Мадд, в котором работали Дэвид Харрис и Сара Харрис, авторы известного учебника "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера". Cлучайно зашел в комнату, в которой сидела группа студентов и лежало нечто, напоминающее торпеду. Выяснилось, что это подводный робот, а студенты работают над общением этого робота с рыбами с помощью сонара (так я перевел для себя "IVER AUV for Sonar Mapping and Fish-Robot Interaction Modeling Projects"), и даже получили пару грантов на полмиллиона долларов.

Но чтобы студенты могли сделать что-нибудь полезное в обработке сигнала от сонара, им нужно знать кучу математики из области, которая в Америке называется DSP, а в России - ЦОС, или Цифровая Обработка Сигналов. Потом, в своих поездках по России я выяснил, что российские студенты в ЦОС тоже не лыком шиты.

Вторая статья из цикла, посвященного проектированию с использованием стандартного интерфейса AXI-Stream, а также отладке и документации проектов.

Прошли первые три занятия Школы Синтеза Цифровых Схем в 18 вузах России и Беларуси. На втором занятии пошла речь о D-триггерах и их описании в современном SystemVerilog, а не в стареющем Verilog-2001 и не в допотопном Verilog-95.

D-триггер - это минимальный элемент состояния, он хранит 1 бит информации в течении 1 такта. Именно он делает электронику "умной", позволяет повторять вычисления, ждать события, организовывать конвейеры вычислений внутри микропроцессора, графического процессора, сетевого роутера.

Длинный извилистый путь Школы Синтеза Цифровых Схем приближается к годовой кульминации. 21-23 пройдет хакатон по процессорам в зеленоградском МИЭТ, после чего 150 слушателей из дюжины российских городов оправятся готовится к майским праздникам, приближающимся сессиям и лету.

Но для тех, кто воспринимает школу не просто как научпоп, а реально собирается стать проектировщиком микросхем, мы приготовили экзамен с задачками в духе задачек на собеседованиях в Silicon Valley. В некоторых крупных электронных компаниях для решения таких задачек соискателя заводят в комнату без интернета, и он делает это под глазами экзаменатора на компанейском компьютере. Но так ученики школы не волшебники, а только учатся, экзамен выкладывается открытым, но по его результатам школа будет давать рекомендации в электронные компании.

Для экзамена мы выбрали три темы в четырех упражнениях:

Проанализируем объявление о приеме на работу в Теслу на позицию джуниор-проектировщика процессора для AI автопилота автомобиля (скриншот ниже). Как мы видим, от соискателя требуется понимание микроархитектуры процессора, проектирование на уровне регистровых передач используя язык описания аппаратуры Verilog, а также понимание, как проектирование логики влияет на временные задержки. Иными словами, соискатель должен понимать, как связаны его строки на верилоге с гигагерцами синтезируемого из них процессора. А понимаете ли это вы?

В чем главное отличие между FPGA-хоббистом, ностальгирующим по КР580ИК80 на пенсии - и начинающим микроархитектором, ориентированным на будущее трудоустройство в передовую процессорную компанию или сфинансированный венчурными капиталистами стартап?

Три слова: понимание концепции конвейера. Молодым профессионалом, не старым хоббистом.

Это наглядно видно, если вы погуглите тексты про FPGA для начинающих. Если текст пишет программист, которому захотелось потрогать FPGA чисто для разнообразия, он как правило до конвейера не доходит. Помигает лампочками, поговорит про конечные автоматы и может начнет встраивать какую-нибудь FPGA-реализацию старого 8-битного процессора.

(Некоторые из таких людей даже пишут книги - вот некий Роберт Дунне реализовал процессор конечным автоматом с состояниями fetch/decode/execute, но до конвейера не дожал)

Все это происходит потому, что понимание работы конвейера как правило требует некоего мозгового усилия, типа толчка штанги. И если мозг уже поставлен десятилетиями программирования на Си и ассемблере, он упирается, потому что это ему контринтуитивно.

Но это надо преодолеть, поскольку если вы прийдете интервьироваться в какой-нибудь AMD на позицию юного проектировщика, вас будут спрашивать не как помигать лампочками и засунуть Радио РК-86 в Xilinx, а как стоя перед интервьирующим написать на доске на языке описания аппаратуры Verilog - конвейерную реализацию какого-нибудь умножения со сложением. Или сделать это на компьютере отрезанном от интернета, так что вы даже не cможете нагуглить решение - вот садисты, а?

Именно этому вопросу будет посвящено следующее занятие Сколковской Школы Синтеза Цифровых Схем.

Всем привет, дорогие хабровчане! Сегодня я хочу поделиться своей «больной» идеей реализовать калькулятор на ПЛИС на основе конечного автомата. Почему больной? Потому что уж очень мудрёно получается: всё-таки реализация автоматов на ПЛИС – дорогая практика в смысле ресурсов. Почему хочу поделиться? Потому что вишенкой на торте в этом проекте является автоматическая генерация кода с помощью такого мощного средства, как HDL Coder в MATLAB, что в купе со Stateflow очень интересно смотрится: создание железного кода на основе графического составления графа системы – ни это ли верх мечтаний разработчика, которому необходимо реализовать сложнейший граф с кучей разных переходов и условий ?!

Итак, задачу перед собой я поставил следующую: у меня есть «китайский» кит с FPGA Spartan 6 на борту и старенький клавиатурный интерфейс PS/2. Я собираюсь залить проект калькулятора-автомата на ПЛИС вместе с выбранным интерфейсом и с клавиатуры осуществлять ввод данных. Вывод результата и текущего ввода будем наблюдать на 8-ми cемисегментных дисплеях, которые также имеются на отладочной плате.

В первой части мы познакомимся с пакетом Stateflow, как собиралась модель в SIMULINK и сгенерируем HDL-описание. Во второй части мы немного скорректируем проект для получения синтезируемого HDL кода.

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.

Здравствуйте, друзья.

Продолжаем публикации последних событий из мира FPGA/ПЛИС. Ниже приведены несколько ссылок на новости, анонсы, вебинары, воркшопы, туториалы, видео и тд. Подобные новостные дайджесты есть, например, на хабе про php, почему бы и не сделать что-то подобное и для ПЛИС?

А еще в РФ очень очень скоро будет FPGA конференция/митап :)

1. Помощь при разводке плат