FPGA *

Вчера известный разработчик FPGA дизайнов и печатных плат Николай Ковач, основатель marsohod.org из Таганрога, добавил поддержку платы Марсоход3GW2 в репозиторий примеров для Школы Синтеза Цифровых Схем, в которую сейчас идет регистрация. Плата покрывает нужды Школы для упражнений с цифровой логикой, синтезом простого микропроцессорного ядра, распознавания и генерации звука и красивой графикой на HDMI дисплее с 24-битным цветом.

Почему это важно и как это связано с Мишустиным, США, Китаем и другими глобальными обстоятельствами? Да от решения микроархитектурных задачек на таких платах непостредственно зависит уровень проектировщиков российcких чипов через несколько лет:

Привет, Хабр! Меня зовут Павел Панкратов, я ведущий инженер-программист в дивизионе искусственного интеллекта YADRO. Этим текстом я запускаю цикл статей — экскурс в особенности работы с SoC, комбинирующей в себе реализованные в «железе» аппаратные блоки (Hard IP’s) и программируемую логику (Soft IP’s). Основная задача, которая объединит все три статьи, — параллельный запуск встраиваемой операционной системы на двух различных по архитектуре процессорах, представленных в виде Hard и Soft IP-блоков.

Производители подобных систем, как правило, предоставляют окружение для разработки и документацию с примерами реализации универсальных решений. Но масса важных деталей от пользователя все же скрывается, что приводит к долгим исследованиям при попытках нетривиальной модификации. Эта и остальные статьи цикла — попытка раскрыть завуалированные тонкости, сделать их доступными и понятными.

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

Простое, нестандартное процессорное ядро с открытым кодом, которое может быть использовано для создания микроконтроллера в базисе ПЛИС, в том числе ПЛИС - ОП.

История про высокий порог входа, забеги по граблям и уверенность в завтрашем дне, а также про оптику, схемотехнику и немного про FPGA. На КДПВ — то, что получилось, работает и используется в production, а ниже — рассказ про процесс создания этого "чуда враждебной техники".

В одно хмурое зимнее утро декабря 2007 года маркетологи небольшой компании, занимающейся разработкой электроники, решили, что пора таки сделать свой OTDR.

С незапамятных времён, когда ещё существовали браузеры под ДОС, я взял себе ник Astra.

Поэтому и назвал проект превращения запчасти от майнера с мусорки в годную "отладку", с которым вожусь несколько месяцев, --Аstra_S9_SoC(+FPGA)-- или "платформа Astra9" Собственно, сама плата уже давно запроектирована и наштампована конторой Битмаин невероятно большим тиражом- порядка нескольких сотен тысяч (а то и миллиона) экземпляров. Сотни тысяч этих плат УЖЕ находятся у нас в стране, их не надо тащить с Али. Плата предназначена чисто для управления майнингом на хешплатах и не имеет никакой либо документации. Однако, "сердцем" платы является SoC+FPGA микросхема американской корпорации Xilinx -- ZYNQ 7010 xc7z010-clg400, что позволяет использовать её как FPGA девборд и как одноплатник

Я взял на себя труд разработать рабочую документацию на эту плату. https://dzen.ru/a/ZtTuMNBQ3gFhmskj

В своих статьях рассмотрю основные варианты применения этого изделия. Как минимум, будут освещены такие вопросы:

0. Никакой возни, раздобыл плату, микро-СД-флешку - и через полчаса всё заработало https://dzen.ru/a/ZtumRpI4dV3u1R7v

1. Привет, народ или Как помигать светодиодом

2. Запустить Убунту

Учитывая, что я очень давно занимаюсь отладкой и запуском самых разнообразных проектов связанных с Zynq 7000 — со временем количество итераций перезапуска при проведении отладки увеличивалось пропорционально сложности проекта. Когда я только начинал осваивать разработку под Zynq, то каждый раз закидывал новый образ на microSD карту. Это было очень медленным процессом и требовало от меня постоянно подключать/отключать карту. После этого я освоил сетевую загрузку через Ethernet и TFTP, заменяя файлы по сети и проверяя результат после перезагрузки.

Впоследствии, изучив вопрос связанный с типами загрузки, я обнаружил, что есть альтернативный способ загрузки платы через интерфейс JTAG, который впрочем может оказаться единственным доступным, если на плате нет microSD и Ethernet.  

Вот как раз вопросы связанные с тем, как произвести загрузку по JTAG я бы хотел осветить в этой статье. Всем кому интересно — добро пожаловать под кат. 

• Частота процессора – 600 MГц
• Объем внутренней памяти – 3 МБайта
• 4 высокоскоростных порта – 600 Мбайт/сек
• Внешняя шина – 100 МГц
• Каналы DMA – 12 каналов

Если у вас есть опыт создания ПО и вы хотите познакомиться с проектированием цифровых логических схем (digital design), то одна из первых вещей, которые вам нужно понять, — это концепция тактов. Она раздражает многих программных инженеров, начинающих HDL-проектирование. Без использования тактов они могут превратить HDL в язык программирования с $display, if и циклами for, как в любом другом языке. Но при этом такты, которые новички игнорируют, — зачастую один из основополагающих элементов при проектировании любых цифровых логических схем.

Ярче всего эта проблема проявляется именно при рассмотрении первых схем, созданных начинающими HDL-разработчиками. Я недавно общался с некоторыми из них. Новички опубликовали свои вопросы на форумах, которые я читаю. Когда я проанализировал то, что они делают, от увиденного волосы встали дыбом.

Когда-то давно, аж 2013-й год, на Хабре была статья "Простой SDR приёмник на ПЛИС" автора @iliasam. Я попытаюсь повторить этот проект на другой элементной базе: FPGA плата Марсоход3GW2, микросхема Gowin GW1NR-LV9QN88PC6/I5.

Законы Цифровой Обработки Сигналов кажется остаются всё те же, что и раньше. Посмотрим, что у меня получится.

• Выбрать Development board и необходимые PMOD к ней
• Определиться с дизайном проекта, выбрать clock domains и правила перехода между ними
  
• Освоить основные функции Xilinx Vivado – создание проекта, работу с блочными схемами, компиляцию, симуляцию, отладку
• Сделать несколько IP с интерфейсом AXI4
• Поработать с внешними устройствами
• Сделать с нуля собственный процессор с контроллером шины и обработкой прерываний
• Написать модуль для верификации
• Наконец собрать всё вместе и получить реализацию на FPGA легендарного (как минимум для тех, кто тогда жил) компьютера середины 80-х – БК-0010