Плис с чего начать

Изучение FPGA Altera

Современные ПЛИС – программируемые логические микросхемы, выполняемые по технологии от 10 нм и содержащие большое количество логических элементов. Элементы могут выполнять простые логические операции «И», «ИЛИ» и др. или реализовывать функции умножителей, сумматоров, мультиплексоров и более сложных устройств.

FPGA – это микросхемы, в которых производителем не определены связи между логическими элементами. Разработчику необходимо самому определять взаимосвязи, назначение выводов и пути прохождения сигналов. В этом заключается большой плюс ПЛИС, так как следствием такого подхода становятся исключительно гибкая архитектура и быстродействие полученной электронной схемы. Но за это приходится платить увеличенным временем разработки устройства.

По этим причинам ПЛИС нашли широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, устройствах высокоскоростной параллельной обработки сигналов, микропроцессорной технике.

С чего начать?

К большому сожалению, литературы на русском языке, описывающей принципы функционирова ния, программирования FPGA практически нет. Нет и чёткого понимания, даже у специалистов, когда применять ПЛИС, а когда программируемый микроконтроллер в повседневных задачах (не связанных с управлением космическими аппаратами или опасным промышленным производством).

Начать нужно с главного вопроса – какие задачи вы планируете решать с использованием FPGA?
Если вы разрабатываете шину передачи данных для своего устройства или конструируете плату обработки сигналов с разложением в ряд Фурье, то ПЛИС — это то, что необходимо. Прекрасным решением является и построение отказоустойчивых систем с быстрым временем реакции на основе ПЛИС в системах автоматики.
Это лишь некоторые примеры, позволяющие оценить мощь и гибкость FPGA. Поэтому главными критериями при выборе определим быстродействие и оригинальную архитектуру, ради которых стоит пойти на дополнительные трудозатраты.

Приняв по тем или иным причинам твёрдое решение освоить ПЛИС, встают следующие вопросы – с чего начать и насколько это затратно?
По поводу денежных затрат – микросхемы начального уровня, средства программирования и отладки ненамного дороже микроконтроллеров. Освоение сред разработки и языков программирования нисколько не сложнее тех же МК. Всё вышесказанное относится к продукции компании Altera, которую и рассмотрим более детально.

Средства разработки и отладки

Возникает справедливый вопрос: а как же проектировать и отлаживать такой «зоопарк» различных серий и их версий? Altera позаботилась об этом, создав единую среду проектирования и отладки Quartus.

• Возможность создания проекта на языках VHDL, Verilog или в графическом редакторе.
• Ведение всей фоновой работы по созданию конфигурационного файла ПЛИС, включая разводку в кристалле.
• Загрузка конфигурационного файла в ПЛИС и внутрисхемная отладка.

Начало работы с FPGA Altera

1. Определите необходимое количество входов/выходов
2. Уровень напряжения
3. Перечень логических операций
4. Допустимую задержку прохождения сигнала от входа на выход
5. Другие параметры, критичные при выполнении задачи.

3. Скачать по этой ссылке и установить среду разработки Quartus.
Для продуктов Quartus Prime Lite Edition, Quartus II Web Edition, ModelSlim-Intel FPGA Starter Edition лицензия не требуется . Бесплатной версии вполне хватит для ознакомления со средой. Изучить среду разработки, пользуясь встроенной справкой и документацией на сайте Altera.

4. Приобрести ПЛИС Altera и программатор с параллельным или usb-портом.

5. Разработать и отладить проект своего устройства на ПЛИС.
Собрать электрическую схему, загрузить проект в микросхему, проверить полученный результат. При необходимости внести изменения в проект, воспользоваться возможностями внутрисхемной отладки.

Заявка на поставку импортных ПЛИС Altera

Мы специализируется на поставках импортных микросхем для производства приборов связи и навигационного оборудования для авиа- и судостроения . Получить подробную информацию о поставляемых брендах и условиях сотрудничества можно тут: https://import.el-ra.ru

Кроме этого, мы выполняем полный комплекс услуг по организации проверки и испытаниям электронных компонентов импортного производства , включая входной контроль, проверку на работоспособность, а также специальные проверки, механические и климатические испытания.

Если вы заинтересованы в работы с нами, то заполните форму по ссылке: www. el-ra.ru/zayavka

Звоните: +7(495) 374-61-00
Пишите: sales@el-ra.ru

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

Сделай шаг к ПЛИС

Много лет я не решался начать программировать ПЛИС, потому что это сложно, дорого и больно (как мне казалось). Но хорошо, когда есть друзья, которые помогают сделать первый шаг. И теперь я не понимаю одного — ПОЧЕМУ Я ЖДАЛ ТАК ДОЛГО?

Сейчас я помогу сделать первый шаг и тебе!

А зачем оно мне?

Ты устал постоянно читать доки по своему МК или держать кучу информации в голове. Ты все переписал на asm, но скорости все равно не хватает. Ты подключил два внешних устройства к своему МК, подключаешь третье, но у тебя кончились прерывания, перестают работать те модули, что уже работали. Ты берешь другой МК, более мощный из той же линейки, но опять мануалы, регистры флагов, биты… ад. Меняешь платформу: переходишь на другой МК и выкидываешь на помойку свои знания по прежней платформе. Что бы ты не делал — оно дается тяжело. Ты находишь популярную платформу, в которой можно легко из компонентов собирать проект, но выше аппаратных ограничений данного МК все равно не удается прыгнуть… Где-то на краешке сознания иногда проскакивает мысль, что вот на ПЛИС это бы точно заработало быстро и параллельно, что это «именно та задача, которую бы надо решать на плис», но я стар/глуп/занят/etc чтобы суметь/начать такое делать.

Хочешь наконец вздохнуть свободно? Идем дальше!

Радость от разработки на ПЛИС

У меня был тяжелый рабочий день. С одной работы я приехал на вторую работу, потом на дачу, вечером домашние дела, уроки, потом семейный просмотр кино и только в 23 часа я оказался совершенно свободен! Сказать, что я был уставший — ничего не сказать. Но в таком состоянии я сел за ноут с твердой целью: сделать генератор меандра на 440 Гц. Прошло 20 минут и я уже слышал его в наушниках. Я не верил своим ушам! Еще 15 минут мне потребовалось, чтобы сделать ШИМ и менять громкость. К тому времени плата с ПЛИС у меня была всего с неделю и до этого я пролистал всего пару книг по Verilog.

В тот вечер я понял: ВОТ ОНО! Вот та платформа, в которой я быстро и легко могу превращать свои мысли в реально работающее железо!

Почему так?

Опишу плюсы, которые есть в изучении и применении ПЛИС, хотя их и так все знают:

• Универсальность знаний — при смене модели МК нужно читать доки. При смене производителя МК нужно читать доки. Нужно постоянно читать доки, постоянно держать в голове кучу информации. При разработке на ПЛИС, если знаешь Verilog или VHDL, то можно не только программировать любой ПЛИС из линейки одного производителя, но и при желании перейти на другого (Altera, Xilinx). Хоть и будут моменты с освоением другой среды разработки, тонких аппаратных моментов, но сама суть подхода проектирования устройств на HDL от этого не изменится.
• От идеи к железу — при разработке проекта, если тебе не хватает одного мк, то приходится выбирать другой. В принципе можно строить предположения справится или не справится этот МК с проектом. Либо есть какой-то конкретный МК и ты пытаешься туда вместить проект. Чаще всего именно так. Мне это чем-то напоминает подход моего деда, который делает лестницу из того, что есть в сарайке. Хотя можно спроектировать лестницу, купить досок, которые подойдут… От идеи к железу, а не наоборот.
• Простота применения чужих разработок — можно взять чужой модуль и применить его в своем проекте. По коду сможете понять, как он работает. Даже, если он для xilinx, а вы делаете под altera. Иногда это получается не сарзу, но это проще, чем, например, добавлять двоичные библиотеки к проекту на c++/Qt
• Независимость блоков. Блоки в HDL, как чистые фунции в ЯП. Зависят только от входных сигналов. Разработанный и отлаженный модуль в будет и дальше работать правильно, как бы не рос проект. Ничто снаружи не повлияет на правильность его работы изнутри. Да и вообще можно забыть, как он работает — это черный ящик. К тому же, блоки работают параллельно.

Проблема выбора

Сильно останавливают вопросы, что выбрать: Altera/Xilinx, Verilog/VHDL, какую отладочную плату взять. Но обо всем по порядку.

Производитель

Я выбрал Altera. Почему? Ну мы вот так с другом решили, хотя название Xilinx мне красивее. НО. Если ты сейчас не можешь выбрать, то я сделаю это за тебя. Тебе нужен Altera! Почему? Я не знаю. Сейчас важнее сделать шаг: сделать выбор. Я выбрал Altera и пока не пожалел.

Язык

Берем Verilog — потомучто… ну ты понял.

Отладочная плата

На выбор отладочной платы ушло больше всего времени. Понятно, что платы отличаются установленной микросхемой ПЛИС. А микросхемы ПЛИС отличаются друг от друга количеством элементов. Но совершенно не понятно, сколько их потребуется для твоих тестовых проектов. Поэтому большую часть времени я потратил на поиск всевозможных проектов на ПЛИС на предмет того, чтобы узнать, сколько они потребляют ресурсов ПЛИС.

В семействе Altera, за разумные деньги мы можем купить платы с CPLD MAX II на 240, 570 и 1270 элементов, либо более старшие микросхемы FPGA, которые Cyclone 1, 2, 3, 4 с количеством до 10000 и более ячеек. Как же выбрать?

Даже на базе 240 ячеек, проект Марсоход делает просто огромное количество проектов. Настоятельно рекомендую ознакомиться, чтобы иметь примерное представление о сложности проектов, которые можно уместить в 240 ячеек. С другой стороны, существуют проекты, которые полностью программируются под аппаратную копию определенного ПК, включая процессор и всю логику вокруг него (NES, Speccy, Orion, ЮТ-88, etc). Для этого уже требуется пять, десять и более тысяч ячеек. Плюс эти платы содержат дополнительные внешние устройства.

Поэтому я бы посоветовать взять что-то среднее между 240 и 10000 ячейками, с предпочтением в сторону увеличения в зависимости от доступных средств. На отладочной плате лишние ячейки это не страшно, а если их не хватит — уже ничего не поделаешь. Потом, когда устройство отлажено, станет ясно, сколько надо ячеек, купить под нужное количество, без лишнего «обвеса», дешевле и оставить в готовом устройстве.

То, чем действительно отличаются MAX от Cyclone’ов, кроме количества ячеек, это:
1) У серии MAX внутри нет PLL. На каждой отладочной плате есть генератор, как правило на 50 МГц. Основной массе проектов этого будет достаточно. Все синхронизации будут происходить путем деления 50 МГц на какое-нибудь значение. Либо, можно взять внешний генератор и подать на отдельный вход ПЛИС. А что, если потребуется частота выше 50 МГц? Мне не удалось с ходу найти генераторы выше 50 МГц. Но тут как раз на помощь и приходит PLL, который встроен в Циклоны. На нем можно умножить частоту, например, до 100 МГц.
2) В серии Cyclone встроены аппаратные блоки умножения. Их количество зависит от конкретной модели — тут как раз можно «всетаки заглянуть в инструкции», чтобы узнать сколько. Если предполагаете делать какой-то ЦОС, то они пригодятся: сэкономят ячейки, увеличат скорость. С другой стороны, если нет умножителей, их можно синтезировать, но у маленькой ПЛИС на это может не хватить ресурсов.

Во всем остальном у меня критерий «влезло/не влезло». Отладка на заведомо бОльшей, чем нужно плате, с последующей заливкой в минимально необходимую для этого.

Сколько нужно денег?

Программатор
Я считаю, что у меня нет времени, чтобы паять программаторы на рассыпухе.

300 рублей. Я свой брал на ебее, выглядит так:

Отладочная плата
Выбор широкий, в зависимости от количества денег.

Начальный уровень 350 — 550 рублей. Это платы на MAX II (240 или 570 ячеек). Могут подойти для начального ознакомления и дальнейшего пристройства в конечные устройства. На плате есть генератор, пара кнопок, пара светодиодов, остальные 80 выводов на свое усмотрение.

Блок питания
Обязательно должен быть, но не всегда идет в комплекте. Потребуется БП на 5 вольт и ток 2А.

Средний уровень от 900 до 1500 рублей. Это платы Cyclone 1, 2, 3, 4 отличающиеся в основном количеством ячеек.
Маркируются примерно так:
EP2C5T144 — Cyclone 2 примерно 5к ячеек
EP4CE6E22C8N — Cyclone 4 примерно 6к ячеек
EP2C8Q208C8N — Cyclone 2 примерно 8к ячеек

Можно заметить, что Cyclone 3 может иметь больше ячеек, чем Cyclone 4.

Вот несколько вариантов:

835 рублей.
ALTERA FPGA CycloneII EP2C5T144 Minimum System Board for Learn good

880 рублей
Altera CycloneII EP2C5T144 FPGA Mini Development Learn Core Board E081

1265 рублей
EP2C8 EP2C8Q208C8N ALTERA Cyclone II FPGA Evaluation Development Core Board

Платы с расширенными возможностями. Это платы, на которых установлены дополнительные модули (UTP, USB, AUDIO), разъемы (SD, VGA), кнопки, переключатели, светодиоды, семисегментные индикаторы и т.д. Либо может идти базовая плата, а к ней могут прилагаться платы расширения отдельно.

Вот основная плата. На ней есть 2 светодиода, 2 кнопки, 4 переключателя, семисегментный интикатор и микросхема оперативной памяти.

Плата расширения. На ней распаяны SD, VGA, а так же контроллеры USB(High Speed USB2.0 Chip: CY7C68013A), AUDIO(Sound Card up to 96kHz/32bit ADC/DAC: WM8731S), UTP(100M Ethernet interface: DM9000A):

Эти платы просто вставляются одна в другую, но у меня она пока лежит в ящике. Для своих поделок у меня макетка, с которой я соединяюсь шлейфом, который идет в комплекте. Еще в комплекте идет блок питания на 5 вольт.

Altera Cyclone NIOS II SOPC FPGA Development Learning Board EP2C8Q208C8N+LCD1602 — 2670 рублей

Terasic Altera FPGA DE0-Nano Cyclone IV Development and Education Board — 4600 рублей

Но в целом, большие и дорогие отладочные платы я бы не рекомендовал сразу покупать. Дорогие покупки должны быть обоснованы, сейчас же пока не ясно что подойдет лучше. Ясно станет, когда начнется практика.

Заказал, ждем

Пока идут платы, можно начать себя морально и технически готовить:
— Установить Quartus II v.11.1
Почитать:
— Книга: А.К. Поляков Языки VHDL и Verilog в проектировании цифровой аппаратуры 2003
— www.kit-e.ru/articles/circuit/2008_3_161.php — Краткий курс HDL
— Уроки на марсоходе по верилогу, архитектура, простые советы по стилю.
— VERILOG как образ жизни
— Хорошие примеры (EN)
— Как начать работать с ПЛИС (Xilinx)

ВСЕ!

Мы ждем от тебя интересных проектов на ПЛИС!

PS. Обращаясь к тебе на «ты», я обращаюсь, как к равному, личности, а не части толпы. Если обращение на «ты» оскорбило, прошу меня извинить.

ВНИМАНИЕ! Verilog и ПЛИС не являются серебряной пулей и волшебным средством решения любых задач, они не могут заменить микроконтроллеры во всех проектах. Для работы с ПЛИС требуется определенный уровень технической подготовки. Вы сами несете ответственность за все решения в вашей жизни. Автор снимает с себя ответственность за возможные финансовые и временные потери, связанные с вашими исследованиями в области ПЛИС и Verilog.

• Программирование
• FPGA
• Программирование микроконтроллеров

Как начать разрабатывать железо, используя ПЛИС — пошаговая инструкция

Каким образом повысить количество российских инженеров, которые были бы знакомы и с разработкой хардвера, и с разработкой софтвера, и могли бы строить системы, в которых часть функциональности находится в специализированном железе, а часть — в программном обеспечении, с соблюдением баланса между ними?

Для этого вовсе не обязательно выбрасывать несуразные деньги а-ля сделка Сколкова и MIT.

Есть масса дешевых и эффективных мер по апгрейду российской образовательной системы. Одна из них — широко ввести практические классы ПЛИС / ППВМ / FPGA среди старших школьников и студентов. Это то, на чем учатся и инженеры, которые потом разрабатывают микросхемы внутри Apple iPhone в Купертино, Калифорния.

ПЛИС — Программируемая логическая интегральная схема
ППВМ — Программируемая пользователем вентильная матрица
FPGA — Field Programmable Gate Array

Так как ниже речь идет о платах, то у многих читателей тут же может возникнуть реакиция «а, это ардуино/raspberry pi/роботы — знаем!» Нет, это не ардуино, не имеет вообще никакого отношения к данному классу устройств. Еще раз повторяю: это не ардуино, потому что у ардуин стоит внутри основанный на микропроцессорном ядре микроконтроллер, а тут вообще никакого процессора нет — чистая матрица перепрограммируемых логических ячеек.

Пока американские школьники будут играться только с микроконтроллерами, российские школьники могут играться одновременно и с микроконтроллерами, и с FPGA, и тем самым получат технологическое преимущество за счет системного мышления — понимания и программирования, и принципов разработки хардверной логики одновременно.

Одной из проблем использования FPGA для образования российских тинейджеров является нехватка литературы на русском языке. Довольно скоро должен выйти русский перевод книжки Digital Design and Computer Architecture, Second Edition, by David Harris and Sarah Harris, и эта проблема будет частично решена. Но помимо литературы, описывающей схемотехнику и разработку хардвера на уровне регистровых обменов (Register Transfer Level — RTL) используя языки описания аппаратуры (Hardware Description Languages — HDL), есть и другая проблема — для новичка работа со студенческими платами нетривиальна, а программная среда для разработки — недружелюбна.

Поэтому я решил показать по шагам, как начать работать с одной из FPGA плат, которая удобна тем, что втыкается в макетную плату и может быть использована преподавателями кружков школьников наподобие тех, которые еще с 1970-х годов начинали введение в схемотехнику через микросхемы малой степени интеграции типа К155ЛА3 (TTL 7400, CMOS 4000). Втыкаемая в макетку FPGA плата является естественным продолжением таких курсов.

Вот так учили основам цифровой логики с начала 1970-х годов:

И вот к чему он может переходить после ознакомления школьников с базовыми понятиями логического элемента, триггера и сигнала тактовой частоты. Это то же самое, но на технологии 2010-х:

Дело в том, что внутри FPGA по сути находится конструктор из тысяч логических элементов наподобие элементов в K155ЛА3, но в FPGA их можно соединять не руками с помощью проводов, а меняя содержимое специальной памяти, биты которое соединены с мультиплексорами, которые меняют логические функции ячеек FPGA и соединения между ними:

Где достать платы, софтвер для разработки и необходимые плагины, я расскажу в конце, а сейчас погрузимся непосредственно в создание простой схемы с помощью бесплатной среды разработки Xilinx ISE WebPACK:

Входим и создаем новый проект:

Важно выбрать отдельную директорию для проекта и не смешивать его с вашими исходными файлами, ибо синтезатор генерирует много всяких временных файлов и вы в них можете запутаться (все их можно удалить после использования):

Вводим имя проекта. Это имя совпадает с именем главного модуля на Verilog-е (языке описания железа):

Вводим параметры FPGA: Family, Device, Package, Speed. Их нужно взять из документации по плате.

Добавляем исходные файлы на языке описания аппаратуры Verilog.

Файл top.v содержит описание схемы:

module top ( input btn_0, input btn_1, output led_0, output led_1, output led_2, output led_3 ); assign led_0 = btn_0; assign led_1 = btn_1; assign led_2 = btn_0 & btn_1; assign led_3 = btn_0 | btn_1; endmodule

Файл cmods6.ucf содержит информацию для среды разработки о том, как связаны логические вводы и выводы главного модуля (btn_0, led_2, . ) с местонахождением (location, LOC) физических ножек микросхемы FPGA, которые именуются P8, N4 и т.д. Этот файл — урезанная версия файла для данной платы, загруженная с сайта компании Digilent (производитель плат):

NET "btn_0" LOC = "P8" | IOSTANDARD = LVCMOS33; NET "btn_1" LOC = "P9" | IOSTANDARD = LVCMOS33; NET "led_0" LOC = "N3" | IOSTANDARD = LVCMOS33; NET "led_1" LOC = "P3" | IOSTANDARD = LVCMOS33; NET "led_2" LOC = "N4" | IOSTANDARD = LVCMOS33; NET "led_3" LOC = "P4" | IOSTANDARD = LVCMOS33;

Теперь нажмем на кнопку «сгенерировать файл для программирования ПЛИС». Тут есть важный момент — «программирование» — это не софтверное софтверным программированием, которое сводится к созданию последовательности команд некоего процессора. Programming File в данном случае — это содержимое памяти в ПЛИС, которое определяет логические функции и соединения ячеек ПЛИС. Процессор в данной схеме не присутствует (хотя вы можете сами создать процессор, программируя (в вышеприведенном смысле) ячейки ПЛИС).

Теперь нажмем кнопку «посмотреть на абстрактную (не привязанную к конкретному FPGA) схему, описанную на верилоге и синтезированную софтвером):

Нажмем на мышкой чтобы посмотреть внутрь:

Нажмем на кнопку „Zoom to Full View“ чтобы увидеть всю схему:

А теперь посмотрим на переработанную схему, сгенерированную софтвером для конкретного FPGA (View Technology-Specific):

Мы видим слово LUT — это Look-Up Table — его нужно запомнить на будущее:

Теперь нажмем на кнопку „View/Edit Routed Design (FPGA Editor)“, чтобы посмотреть, как схема ляжет на ячейки FPGA:

Жмем кнопку чтобы сконфигурировать FPGA. Плата прицеплена микро-USB кабелем к компьютеру.

С этого момента важно, что установлен плагин от Digilent-а для этой платы — digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,66,768&Prod=DIGILENT-PLUGIN

У Digilent-а есть еще софтвер под названием Digilent Adept, но он на моем компьютере с этой платой почему-то не работает, так что лучше использовать плагин и iMPACT. Последовательность действий ниже понимать не обязательно, это просто „магические заклинания“, чтобы перенести *.bit файл в конфигурационную память внутри FPGA:

Все, теперь плата должна работать — откликаться на нажатия кнопок и соответственно им мигать лампочками.

Теперь не будем закрывать iMPACT, вернемся к главному окну ISE и построим не комбинационную, а последовательностную схему — сдвиговый регистр. Используем генератор тактового сигнала низкой частоты 1 Hz, т.е. один раз в секунду. На плате еще есть генератор тактового сигнала на 8 MHz — это частоту с помощью PLL можно поднять до 200 MHz. Но высокая частота — это других дизайнов, а для наглядности 1 Hz — то что надо:

Засинтезируем ее, сгенерим bit-файл, вернемся в iMPACT и нажмем на кнопку Program. Оно скажет:

Нужно нажать Yes и в FPGA будет загружен новый дизайн. Кстати, теоретически повторная (после создания iMPACT project) загрузка должна происходить просто нажатием Configure Target Device в главном окне ISE, но реально у меня это не происходит — софтвер норовит создать новый iMPACT project. Поэтому и лучше использовать кнопку Program внутри окна iMPACT. Все претензии по этому поводу — в Digilent и Xilinx.

Приложение A. Два видео — как реализовать сдвиговый регистр и счетчик

Приложение B. Полный заголовок верхнего модуля на верилоге для данной платы

Со всеми соединениями и комментариями:

module cmods6 ( input CLK, // FPGA_GCLK, 8MHz - можно поднять до 200 MHz input CLK_LFC, // FPGA_LFC, 1 Hz output LED_0, // Четыре лампочки output LED_1, output LED_2, output LED_3, input BTN_0, // Две кнопочки input BTN_1, // DEPP interface - интерфейс для связи с PC через USB input DEPP_ASTB, // Address strobe input DEPP_DSTB, // Data strobe input DEPP_WRITE, // Write enable (write operation = 0, read operation = 1) output DEPP_WAIT, // Ready inout [7:0] DBUS, // General purpose I/O - куча пинов для брэдборды input [7:0] PORTA, input [7:0] PORTB, output [6:0] PORTC, input [7:0] PORTD, input [7:0] PORTE, output [6:0] PORTF );

Приложение C. Где взять платы

Платы с Xilinx FPGA можно брать на сайте Digilent, сейчас это отделение National Instruments. Вот плата Digilent Cmod S6, которую я использовал в посте, с самым небольшим Xilinx Spartan-6 FPGA:

Для последующего обучения есть например платы Nexys 4 с более мощными FPGA Xilinx Artix-7. На них не нужно скручивать провода на макетной плате, так как эта стадия обучения уже пройдена:

Про платы с Altera FPGA я напишу другой пост.

Приложение D. Где взять софтвер Xilinx ISE

Его можно загрузить прямо с сайта Xilinx. Использовать можно бесплатную версию. Но для Spartan-6 нужно использовать не самую новую версию среды разработки Xilinx Vivado 2014.4, а Xilinx ISE 14.7 2013 года. Почему не Vivado? Маркетологи в Xilinx решили пересадить всех пользователей чипов Spartan на более новые FPGA Artix, и выключили поддержку для Spartan из нового софтвера. Вот только плат, которые можно вставлять в макетную плату, на Artix еще нет. Поэтому нужно использовать версию софтвера 2013 года:

А вот софтвер Xilinx Vivado который подерживает в частности плату Nexys 4 с Xilinx Artix-7 (для платы со Spartan-6 он не нужен):

Теперь важный момент. Для того, чтобы загружать .bit-файл в конфигурационную память FPGA на плате, необходимо скачать специальный плагин с сайта Digilent:

На сайте еще есть софтвер Digilent Adept, но я его не рекомендую для Spartan-6, у меня были с ним проблемы.

Приложение E. Немного табличек с параметрами FPGA

И в заключение еще одна фотка FPGA платы на макетной плате с кнопками, резисторами и семисегментным индикатором:

Как начать работать с программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС)

Написать эту статью заставили меня товарищи, которые очень хорошо (гораздо лучше меня) разбираются в контроллерах и применяют их везде, где ни попадя. Тем не менее, есть огромная куча приложений, когда применение ПЛИС не только оправдано, но и приводит к значительному упрощению системы и улучшению ее параметров. Сразу оговорюсь: в этой и, возможно, последующих статьях я рассматриваю ПЛИС только фирмы Xilinx не потому, что они мне заплатили, и даже не потому, что они лучше всех, просто исторически сложилось, что работаю я практически только с ними.

Итак, начнем с небольшого количества теории. ПЛИС делятся на две основных группы: CPLD (Complex Programmed Logic Device) и FPGA (Field Programmed Gate Array). CPLD — это обычно ПЛИС класса «эконом», т.е. имеют невысокую цену и довольно скудное количество ресурсов, особенно это заметно на триггерах. FPGA обычно подороже, содержат побольше ресурсов (простой логики — триггеров. ) и, самое важное, в последнее время дополнительные «непростые» блоки, как, например, умножители, блоковую память, интерфейсные причиндалы (Ethernet, PCI-express. ) и даже процессорные ядра PowerPC. Отдельно можно упомянуть серию Zinq от Xilinx — туда вообще ядра ARM запихали. Главным же отличием FPGA от CPLD является потребность в загрузке конфигурации при включении питания и, соответственно, внешней ПЗУ с конфигурацией. Даже семейство SPARTAN-3AN имеет на борту встроенную ПЗУ-шку, из которой и грузится.

Теперь самое главное: чем ПЛИС отличается от контроллера и когда их применять. Тут всё довольно просто: ПЛИС (берем те, что без наворотов) — это, по сути, мешок логики на одном кристалле, которую можно произвольно соединять: те самые триггеры, AND, OR и тому подобные примитивы, как, например, в серии К155 или 74НС. Контроллер же — это готовый процессор (пусть со скудным количеством команд), встроенная память, шины данных и команд, периферия и т.д. В общем-то говоря, из большой ПЛИС можно сделать маленький контроллер, но эта затея, по крайней мере, глупая. Итак, контроллер заточен под выполнение длинных цепочек команд, их циклического повторения, переключения с одной цепочки на другую и т.д., а ПЛИС заточена под выполнение простых логических операций и, что немаловажно, большого количества сразу (и даже на разных тактовых частотах).

ПЛИС Xilinx XC95288XL в корпусе TQ144

Перейдем от теории к практике. Для начала нам хватит какой-нибудь микросхемы CPLD. Ресурсов мало, но для освоения самое оно. Я возьму XC95288XL в корпусе TQ144 (опять же просто оказалась в наличии), вообще рекомендую взять что-нибудь посвежее, например, из серии CoolRunner 2. Чтобы получить готовое изделие (пусть даже минимально мигающее светодиодом), нам необходимо: спаять аппаратную часть (тут, я надеюсь, проблем не возникнет, а нюансы я упомяну), «написать» прошивку (в нашем случае, скорее, нарисовать) и зашить прошивку в микросхему. В общем, нам понадобятся софт, генерящий прошивку, и программатор. Софт (Xilinx ISE Webpack) качаем с официального сайта (правда, попросят зарегистрироваться), лицензия Webpack — свободная. Программатор можно сделать по схеме на рис.1 (под LPT-порт) или приобрести заводской USB-шный (в китайских интернет-магазинах встречал по цене порядка 50$, но сам не покупал). Более подробно.

Рис. 1
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

После того, как мы припаяли ПЛИС на макетную плату, спаяли или купили программатор, скачали и установили пакет ISE Webpack (у меня версия 13.2), запускаем Project Navigator и создаем новый проект. Чтобы создать проект, выбираем File -> New Project, указываем имя проекта и куда его сохранить, также указываем тип исходника TOP-LEVEL (рис.2). Дело в том, что для ПЛИС не обязательно рисовать схему из триггеров и их соединений, можно, например, писать на языках высокого уровня (VHDL, Verilog) и совсем не обязательно в пределах одного проекта использовать что-то одно. Мы же пока используем только Schematic на всех уровнях.

Рис. 2
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

В следующем окошке (рис. 3) выбираем нашу микросхему (остальное поначалу не трогаем); в окне, появившемся после нажатия на кнопку «Next», любуемся на параметры созданного проекта, жмем «Финиш» — и готово: проект создан.

Теперь надо, собственно, нарисовать схему: правым кликом на окошко с проектом и new sourсe (рис 4.), нарекаем этот исходник именем (это имя нашей схемы, их в проекте может быть много), выбираем опять-таки Schematic, жмем «Next», любуемся на параметры вновь создаваемого файла, жмем «Финиш» и получаем чистую схему.

Рис. 4
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Начинается самое интересное: на панельке слева (не с самого краю) жмем кнопочку «add symbol» (рис. 5).

Рис. 5
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

И получаем еще левее список символов текущей библиотеки. Как добавлять, создавать, править библиотеки, разберемся потом (по мере необходимости). Сейчас нам важно выбрать необходимый символ. Так в верхнем окошке мы видим некий классификатор — фильтр, которым пользоваться не обязательно (ну зачем же пролистывать всякие триггеры и логические элементы, когда нам нужен счетчик).

Для примера рассмотрим следующую задачу: нужно максимально точно определить время задержки между передними фронтами 2-х импульсов, появляющихся на разных проводах, и слить это значение в контроллер по интерфейсу SPI. Всякое сходство задачи с темой «Повышение рабочей частоты МК» на одном из робототехнических форумов умышленное. Итак, на входе устройства 2 провода для импульсов и 3 провода для SPI контроллера. Добавляем еще вход тактирования (пока мы не знаем на какой частоте, можем только предположить, что не менее 70 МГц). Начинаем рисовать прошивку: нам нужны триггеры-защелки, которые будут «ловить» импульсы, счетчик времени, регистр сдвига (создавать их не надо, они есть библиотечные). Что такое триггеры и счетчики, описывать не буду, надеюсь, читатели «в теме» и проблем не возникнет, в противном случае придется писать еще несколько статей. Получили вот такую схему (рис. 6), как вы видите, необязательно тянуть провод от выхода символа до входа, достаточно просто обозвать цепь. Для обозначения внешних входов и выходов используем кнопку «Add I/O Marker».

Рис. 6
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Когда схема готова, переходим на вкладку Design, и даблкликаем на Implement Design — начинаются всякие процессы (для начала не важно какие именно — главное, что всё вместе — это процесс перегонки исходника в прошивку). Когда всё отработает, смотрим на эрроры с варнингами: всё, что важно, исправляем, остальное оставляем. Например, не нужны нам выходы СЕО и ТС счетчика и остальные 15 бит параллельного выхода регистра сдвига тоже не нужны, а варнингами ругается. Если ругается эррорами на то, что мы так и хотим, значит, мы хотим чего-то не того. Если нас (и синтезатор) всё устраивает — любуемся дальше на репорты: сколько каких ресурсов израсходовано, какие тактовые частоты доступны. Если опять всё хорошо, то самое время просимулировать схему и убедиться, что она, собственно, работает согласно поставленной задаче. Симуляцию после проверки таймингов я предлагаю проводить по причине того, что иногда для получения нужной тактовой частоты приходится всю схему перетрясти, что, естественно, может сказаться на результате.

Итак, симуляция: на вкладке Design (в левой панельке) выбираем simulation (рис. 7).

Рис. 7
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Внизу, в процессах, вместо процессов синтеза и разводки появился процесс Simulate Behavioral Model, даблкликаем на него — запускается симулятор, в котором мы видим наши сигналы (не только входные-выходные, но и промежуточные) (рис 8).

Рис. 8
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Наводим на кнопочки курсор мышки, читаем комментарии к кнопочкам. Устанавливаем время шага симуляции (рис. 9) и начальные значения входных сигналов, сразу же настраиваем тактовые сигналы (не будем же мы каждые 5 нс симулировать и клок переключать).

Рис. 9
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Шагая по времени путем манипуляций с входами и (при необходимости) с шагом симуляции, получаем временную диаграмму (рис. 10).

Рис. 10
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Убеждаемся, что всё работает так, как задумано (или отлаживаем схему дальше), и переходим к следующему шагу — распределению выходов и входов по ножкам микросхемы. Для этого добавляем еще один файл-исходник (рис. 11), а именно Implementation Constraints File.

Рис. 11
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Прописываем «распиновку микросхемы» (рис. 12), здесь же прописываем требования к тактовым частотам. И вот мы дошли до нюанса, связанного с тактовыми сигналами. Дело в том, что сигналы тактирования должны приходить на так называемые глобальные линии — линии, которые проходят через всю микросхему, остальные линии имеют локальный характер и от блока к блоку проходят через коммутационную логику. У микросхемы XC95288XL в корпусе TQ144 таких линий 3, и подключаются они к ногам 30, 32, 38. Остальные сигналы можно подключить к любым ножкам ввода-вывода (I/O).

Рис. 12
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Снова даблкликаем Implement Design, ждем, читаем замечания на тему варнингов с эррорами и переходим на отчеты по распиновке (рис. 13) и таймингам (рис. 14); убеждаемся в том, что всё нас устраивает, и имеем счастье в виде файла %project_name%.jed.

Рис. 13
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Рис. 14
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Файл прошивки готов. Допустим, устройство тоже. Подключаем к ЭВМ JTAG кабель и даблкликаем на Configure Target Device. Запустится утилитка прошивки (Impact.exe), собственно, при изготовлении нескольких устройств для прошивки серии можно ограничиться запуском только ее одной. Создаём новый проект (это проект для программки-прошивалки), разрешаем ей автоматически найти программатор и подключенную микросхему, показываем файл прошивки и жмем Program. Ждем несколько десятков секунд, видим надпись о том, что всё хорошо, — устройство готово.

Исходники:
cpld_start.zip — исходные файлы проекта

Cм. также: ШИМ на ПЛИС, или Как сделать 16-ти канальный ШИМ-контроллер