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.

Я люблю вызовы - например, написать код в условиях ограниченных ресурсов: медленный процессор, странный набор инструкций, крохи памяти. У меня уже было несколько проектов такого рода - я запускал тяжелую вычислительную задачу на процессорах, которые уже разменяли пол-века: Intel 4004, Intel 4040 и Intel 8008. Очевидно, что на очереди Intel 8080!

В этой статье я опишу детали проекта по созданию системной платы с чипсетом на основе FPGA, на которой будет запущен Intel 8080A-1 на частоте выше 3Мгц. А также расскажу о том, как писать программы для этого процессора на C, и в финале покажу результаты бенчмарков - Dhrystone и CoreMark.

В предыдущей статье (ч.1, ч.2) я рассказывал как построить свою полностью открытую вычислительную систему на опенсорсных решениях — некую синтезируемую систему-на-кристалле, которая будет адаптирована под ваши задачи, в которой всё до последнего триггера находится под вашим управлением и не зависит ни от рыночной конъюнктуры, ни от политических решений. В этой статье я расскажу и покажу как добавить к этой СнК простейший видеоадаптер под тип старого доброго Color Graphics Adapter (CGA), но с современным (HDMI) интерфейсом, с графическим и текстовым режимами и аппаратным скроллингом для плавной прокрутки изображений. Как и в предыдущей статье, речь пойдет о проектировании аппаратуры на языке SpinalHDL и синтезе её для микросхем ПЛИС, используя опенсорсный тул. Все эксперименты я буду проводить на плате «Карно» с ПЛИС Lattice серии ECP5, но весь мой код, за исключением части касающейся настроек PLL, будет аппаратно независимым и легко адаптируемым под любой тип микросхем ПЛИС из поддерживаемых тулчейном Yosys/NextPNR.

Пока весь мир развлекается с нейросетями и высокими технологиями, я решил исполнить студенческую мечту — собрать радио (а то как сапожник без сапог).

Во время курса по радиосигналам (по их приему и обработке) в моей голове представлялось это всё как конструктор, и я не видел в этом ничего сложного. По крайней мере, все модели, построенные в Mathcad и MATLAB, давали обнадеживающие результаты, но хотелось это всё проверить на практике и в качестве результата не увидеть первоначально промодулированную идеальную синусоиду, а услышать незнакомый аудиосигнал.

Предыстория

Захотелось мне как-то перевести управление станком на ПЛИС, а для этого понадобилось ядро процессора. Поиск на opencores не особо помог, x86 лицензированный, ARM лицензированный, NIOS… ну, вы поняли. Если выдумывать свою систему команд, может получиться криво, и главное, где брать компилятор. В общем, всё было сложно, так что на время идею пришлось отложить.
С недавних пор ситуация изменилась, архитектура RISC-V пошла в массы.

Совсем недавно осознал, что нашему Open Source HW проекту marsohod.org уже пятнадцать лет. С ума сойти можно. Когда время-то пролетело? Как-то даже не верится. Наверное можно попробовать подвести какие-то итоги. Ну или сделать хоть самому себе отчет о проделанной работе..

Согласно статье Ивана Покровского «Возможности и проблемы отечественной микроэлектроники», в России всего две тысячи разработчиков микросхем. Для сравнения: в каждой крупной международной электронной компании есть несколько команд, работающих над чипом или над IP, в каждой по паре сотен разработчиков (хотя бывает и меньше ста, и больше тысячи).

Две тысячи человек — это мало для любого сценария развитии России:

1. Как для сценария, в котором санкции будут сняты и российские компании будут безпроблемно работать с TSMC и западными партнерами для разработки маркетируемых на мировом рынке чипов.

2. Так и для сценария, в котором российские разработчики будут строить экосистему проектирования в условиях изоляции, ориентироваться на производство микроконтроллеров и встроенных микросхем на зеленоградском Микроне, а также на сотрудничество в разработке semiconductor IP с китайскими производителями.

В других стран бывшего СССР ситуация еще хуже.

Что же делать? Для ответа на этот вопрос мы привлекли Машу Горчичко — выпускницу МИФИ, которая защитила диссертацию в Университете Вандербильда в Теннесси. Маша работала инженером в Роскосмосе, а сейчас работает в Кремниевой Долине, разработчиком в компании Applied Materials — одного из лидеров в оборудовании для производства микросхем.

Представим Машу, которая будет пояснять и иллюстрировать наши тезисы на видео. От себя прибавлю, что МИФИ — крутой вуз, в нем внутри есть ядерный реактор, а на входе стоит автоматчик:

Статья про то, как из недорогой отладочной платы OMDAZZ c ПЛИС  CycloneIV EP4CE6 получить ретро-компьютер с монитором, клавиатурой и тетрисом, но с современным процессором на базе RSIC-V и компилятором GCC.

На работе я занимаюсь созданием PCIExpress устройств на ПЛИС. Некоторые из ПЛИС имеют встроенное PCIExpress ядро, позволяющее работать с этим интерфейсом на уровне пользовательского приложения. ПЛИС серии ECP5UM фирмы Lattice использует Soft-IP Core для реализации протокола, написанный на языке HDL, а в микросхему лишь встроен блок, отвечающий за работу физического уровня. Мне пришла в голову идея попробовать сделать PCIExpress анализатор на базе этой микросхемы.

Цены на профессиональные анализаторы не доступны простому разработчику, да и зачастую неподъёмны даже для небольших фирм. Хотя для целей диагностики и обучения возможно создание бюджетного прибора, который хоть и будет уступать профессиональному устройству, но при этом будет выполнять основные функции анализатора, удовлетворяющие большинству потребностией в вопросах отладки протокола.

В данной статье я предлагаю описание первого устройства, созданного для проверки концепции. В ней содержится краткое описание архитектуры PCIExpress, общая идея проекта, результаты реализации и тестирования первого прототипа.

Сезон 2: Плата содержит 4 кристалла XC7K160T, которые не работают больше 2-3 недель. В чем причина отказа? Разбираемся

1.Программное обеспечение.

Основная прелесть использования ПЛИС, на мой взгляд, состоит в том, что разработка аппаратуры превращается в программирование со всеми его свойствами: написание и отладка кода как текста на специализированных языках описания аппаратуры (HDL); код распространяется в виде параметризованных модулей (IP-блоков), что позволяет его легко переиспользовать в других проектах; распределенная разработка обширным коллективом разработчиков с системой контроля версий, такой же, как у программистов (Git); и, как и в программировании, ничтожно низкая стоимость ошибки.

Последнее очень важно, так как если при разработке устройства классическим методом разработчик несет вполне существенные затраты на сборку и производство изделия, и любая схемотехническая ошибка или ошибка трассировки печатной платы — это всегда выход на очередную итерацию и попадание на деньги, то при работе с ПЛИС ошибки ничтожны по своей стоимости и легко устранимы. И даже если в серийном изделии обнаруживается ошибка, то её во многих случаях можно устранить очередным апгрейдом прошивки «в поле» без замены изделия. Короче, с приходом ПЛИС разработка цифровой аппаратуры все больше и больше выглядит как программирование, а это, помимо всего прочего, существенно понижает порог вхождения в тему, и все больше программистов становятся разработчиками «железа». А новые люди, в свою очередь, приносят с собой в индустрию новые подходы и принципы.

В этой статье я хочу поделиться своим небольшим опытом «программирования» микросхем ПЛИС и тем, как я постепенно погружался в тему ПЛИСоводства. Изначально я собирался написать небольшую заметку про открытый тулчейн для синтеза Yosys. Потом — про язык SpinalHDL и синтезируемое микропроцессорное ядро VexRiscv, на нём написанное. Потом — про замену микроконтроллеров микросхемами ПЛИС на примере моей отладочной платы «Карно». Но в процессе я погрузился в историю появления Hardware Description Languages (HDL), и когда я начал писать, Остапа, как это часто бывает, понесло... В общем, получилось то, что получилось.

А еще эту статью можно рассматривать как глубокое погружение в то, что происходит вот на этом новогоднем видео.

Введение

На плате Alchitry Cu выделена FPGA Lattice iCE40 HX	На плате Alchitry Au выделена FPGA Xilinx Artix 7