В конце сентября - начале октября в рамках межрегионального форума «ИТ-трансформация 2025: профессионалы цифрового будущего» [https://itforumaltai.ru/2025/], проходившего в г.Барнаул проводился кейс-чемпионат «Код успеха». В номинации «Промышленная разработка» два из тех кейсов были посвящены проектам на ПЛИС:

Кейс 1. Retro Game Console – разработка устройства вывода графики, анимации и текста с интерактивными эффектами

Данный кейс родился спонтанно, под влиянием книг Steven Hugg «Making Games for the NES» и «Designing Video Game Hardware in Verilog», а также ряда дискуссий в чате «Школы синтеза цифровых схем» и от этого кейса ожидались как минимум яркие красивые картинки, да и обычно вывод на дисплей/экран и манипуляции с картинками доставляют яркие и незабываемые эмоции (особенно при отладке, да…)

Кейс 2. «RTL-SoC-challenge» – разработка и прототипирование системы-на-кристалле на базе FPGA

Второй кейс родился по образу и подобию SoC Design Challenge 2025 [https://edu.yadro.com/soc-design-challenge/ https://habr.com/ru/companies/yadro/articles/909410/], но в несколько упрощенном (??ооочень не точно) варианте – только RTL синтез с небольшими включениями тестирования модулей.

В этом кейсе участникам в качестве подопытного кролика был предложен вариант многопоточной архитектуры процессора RISC-V, разработанного для учебного курса [https://riscv-alliance.ru/material/risc-v-dlya-fpga-arhitektura-mikroarhitekturnye-realizaczii/] созданного в рамках выполнения гранта Альянса RISC-V на разработку учебных материалов.
Соревнование собрало команды и индивидуальных участников из АлтГУ, ИТМО, МИЭМ НИУ ВШЭ, РТУ МИРЭА, Санкт-Петербургского политехнического университета. Работы оценивали специалисты компании YADRO (огромное спасибо Юрию Гринишкину и Евгению Максимову за помощь и организацию процесса). В целом инженерами отмечен высокий уровень участников и большой объем работы, проделанный за неполные две недели, отведенные на решение задач.

Разработка или выбор управляющего контроллера для встраиваемой системы на ПЛИС –актуальная и не всегда тривиальная задача. Часто выбор падает в пользу широкораспространенных IP-ядер, обладающих развитой программно-аппаратной структурой – поддержка высокопроизводительных шин, периферийный устройств, прикладное программное обеспечение и, в ряде случаев, операционных систем (в основном Linux, Free-RTOS).  Одними из причин данного выбора являются желание обеспечить достаточную производительность и иметь под рукой готовый инструментарий для разработки программного обеспечения.

В том случае, если применяемая в проекте ПЛИС не содержит аппаратных процессорных ядер, реализация полноценного процессорного ядра может быть избыточной, или вести к усложнению программного его обеспечения, а следовательно приведет к увеличению затрат на его разработку. Кроме того, универсальное софт-ядро будет, так или иначе, занимать дефицитные ресурсы программируемой логики. Специализированный софт-процессор будет более оптимальным решением в свете экономии ресурсов логики – за счет адаптированной системы команд, небольшого количества регистров, разрядности данных (вплоть до некратной 8битам). Согласование с периферийными устройствами – проблема в основном согласования шин и протоколов. Заменой сложной системы обработки прерываний может служить многопоточная архитектура процессора.

Стековые софт-процессоры и контекст потока

Обычно многопоточные процессоры имеют одно АЛУ и несколько наборов регистров (иногда называемых «теневыми» регистрами) для хранения контекста потока, следовательно, чем больше требуется потоков, тем будут больше накладные расходы логики и памяти. Среди разнообразия архитектур софт-процессорных ядер следует выделить стековую архитектуру. Такие процессоры часто называют еще Форт-процессорами, так как чаще всего их ассемблер естественным образом поддерживает подмножество команд языка Форт.