Полезные схемы применением микроконтроллеров и плис
Ты ждал знак? Вот он!
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.
У меня трудится такой комплект — плата + плата расширения:
Altrea EP4CE10E22 FPGA CORE Board+ Device Board USB/Sound/Ethernet/SD Card/VGA
2760 рублей
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.
Еще варианты:
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
Широкий выбор альтеровских плат и расширений к ним
Проект Марсоход
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.
ВВЕДЕНИЕ
Обычно, когда кто-то видит функционирующую плату, всегда задают одни и те же вопросы: – Это Ардуино? – А как это работает без Ардуино?
Это не микроконтроллер, это даже не процессор, это ПЛИС. ПЛИС – это программируемая логическая интегральная схема, такая микросхема состоит из множества одинаковых блоков или макроячеек, каждый производитель по своему их называет, так у Xilinx это Slices (ломтики) у Altera – LogicElements (логические элементы). Эти блоки относительно простые, они могут выполнять роль нескольких логических элементов, быть маленькой таблицей поиска (LUT), содержать готовый сумматор, умножитель, блок цифровой обработки сигналов (DSP), в общем все что задумает производитель. Пользователь может по своему желанию расположить и настроить эти блоки как ему захочется, реализовав таким образом достаточно сложные цифровые схемы. На ПЛИС можно реализовать хоть микроконтроллер, реализовав например ту же Ардуино или процессор вашей собственной архитектуры, например не регистровый а стековый процессор, даже свою собственную ПЛИС можно реализовать на ПЛИС!
Из доступных бюджетных ПЛИС можно выделить двух основных производителей Altera и Xilinx, с их продукции можно начать свой путь освоения данных технологий. На мой взгляд лучше выбрать чипы компании Altera, так как их среда проектирования стабильно обновляется, а выбрав один популярный чип Xilinx XC3S500E вам придется довольствоваться устаревшей средой ISE 14.7 (хотя и там есть свои плюсы).
В иностранной литературе можно встретить сокращения для ПЛИС: FPGA и CPLD. CPLD (Complex Programmable Logic Device ) – чипы с небольшим числом макроячеек, специализированных блоков и малым энергопотреблением. Большой проект не получится синтезировать для такого типа чипов, но и для них находят применение на практике, так у редкого микроконтроллера найдется, скажем 300 ножек. Такие чипы часто применяют в качестве интерфейсных систем, предобработчиков, расширителей ввода-вывода. FPGA (Field-Programmable Gate Array) – программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ), значительно более мощные чипы по сравнению с CPLD, но потребляющие больше энергии и стоящие значительно дороже. Для уменьшения затрат площади кристалла FPGA чипы могут содержать уже готовые функции, такие как блоки цифровой обработки сигналов (DSP блоки), встроенные процессоры, встроенная память. FPGA широко применяются для проверки и верификации проектов, в так называемой докремниевой проверке пригодности, тем самым уменьшая затраты и время перед выходом продукта. FPGA чипы могут быть переконфигурированы практически в любой момент времени, сейчас ведутся разработки, например в Intel, по совмещению архитектур обычного процессора и чипа FPGA. У Xilinx уже есть такие решения – Zynq, но о них мы пока не будет вести речь.
Разговор пойдет о более простых вещах, тем более ко мне в руки попал набор разработчика: Cyclone IV 4 FPGA Core Board и Altera USB Blaster Downloader PLD Development kit за 35$, приобретенный на AliExpress.
1 Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board, краткая характеристика
Рис. 1 – Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board
На плате (Рис. 1) установлен чип EP4CE6E22C8N, его характеристики:
| Вид ресурса | Краткое описание | Количество |
|---|---|---|
| Logic elements (Les) | Число логических блоков – ячеек, основная характеристика, по которым мы можем сравнивать «мощность» чипов, любая синтезированная логика будет затрачивать данные блоки | 6,272 |
| Embedded memory (Kbits) | Встроенной памяти, пока для нас не важная характеристика | 270 |
| Embedded 18×18 multipliers | Встроенных аппаратных умножителей, очень важный параметр в цифровой обработке сигналов, вся мощь ПЛИС раскрывается, когда несколько умножителей работают параллельно | 15 |
| General-purpose PLLs | Узлов фазовой автоподстройки частоты, пока не важная характеристика, упрощает синхронизацию устройств, работающих на разных частотах | 2 |
| Global Clock Networks | Количество частотных доменов, пока не важная характеристика | 10 |
| User I/O Banks | Число раздельных пользовательских банков ввода-вывода, пока не важная характеристика | 8 |
| Maximum user I/O | Число пользовательских пинов ввода-вывода, мы можем подключить любые устройства, как например к Ардуино | 91 |
На плате установлено:
- Флэш память – при подаче питания ПЛИС будет сконфигурирована в реализацию во флеш памяти. Вы можете синтезировать свой проект и записать в эту флэш
- Кварц 25 Мгц – генератор опорной тактовой частоты, именно на этой частоте будут работать все наши проекты, наша ПЛИС может поддерживать до 10 таких каналов.
- Светодиоды – 10, кнопки – 2.
- Пины ввода-вывода 61 + 2 земля, 1 не соединен. Можно подключить разнообразные устройства. ЦАП-АЦП, акселерометры и гироскопы, символьный и графические дисплеи, как и у Ардуино.
- Питание через USB, или внешнее 5В.
В комплекте также идет программатор JTAG, Altera USB Blaster.
2. Среда Quartus II и наш первый проект
Для работы с данной ПЛИС нам нужно скачать официальную среду разработки – Quartus II Web Edition, она бесплатная. Заходим на официальный сайт https://dl.altera.com/15.0/?edition=web, на момент написания версия 15.0 самая новая, если вышла новее, скачиваем ее.
Выбираем:
Рис. 2 – выбираем необходимые продукты Altera
И жмем кнопку скачать (Download Selected Files). После чего нам предложат зарегистрироваться, регистрируемся, скачиваем и устанавливаем.
Создадим свой первый проект.
Запускаем Quartus, выбираем главное меню File -> New Project Wizard, появляется окно введения, жмем next. Далее нужно указать каталог для проекта и его имя, третье поля – имя верхнего модуля, попозже увидите, что это. Выбираем папку, куда хотим сохранить проект и придумываем имя, у меня test1.
Рис. 3 – окно мастра нового проекта
Жмем next, у нас спрашивают, пустой проект (empty project) или шаблон (Project template). Оставляем пустой, next. Дальше нас просят добавить существующие файлы, у нас ничего нет, поскольку мы только начинаем свой путь, жмем next.
Далее нам необходимо выбрать наш чип, это можно сделать в любое время. Выбираем как на рисунке, Family – Cyclone IV E, specific device selected in “Available devices” и выбираем наш чип EP4CE6E22C8N, он в самом начале. Если у вас другой, найдите свой, это важно. Жмем next.
Рис. 4 – Окно мастера нового проекта, выбор нужного чипа
Появится окно – выбора средств проектирования, отладки, пока это пропускаем, нажимаем next и затем finish.
Далее главное меню Assignments -> Device, здесь можно выбрать чип (нашу ПЛИС), выбираем если не выбрали, нажимаем кнопку «Device and Pin Options».
Рис. 5 – Окно «Assinments-Deice»
В окне выбираем пункт «Unused pins». Эта настройка определяет, что будет с неподключенными пинами. Это может быть важно, в своем проекте вы вряд ли используете все пины, а не подключенные могут быть на деле соединены с землей или питанием (ну мало ли, кто разводил плату). Если вы подадите единичку на заземленный пин, то он сгорит, поэтому нужно внимательно следить за этим.
По умолчанию неиспользуемые пины «As input tri-stated with weak pull-up» (пины для ввода, находятся в третьем состоянии с высоким импедансом, со слабой подтяжкой по питанию), можно оставить или выбрать «As input tri-stated». Про подтягивающий резистор можете прочитать на википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Подтягивающий_резистор. В цифровой технике может быть три состояния, логическая единица – это напряжение питания или высокий уровень, логический ноль – это когда вывод подключен к земле или низкий уровень и высокоимпедансное состояние. Высокоимпедансное состояние – это когда пин имеет очень высокое сопротивление и практически не влияет на провод, к которому подключен, такое состояние нужно, например, при организации шин, когда множество устройств подключены к одному проводу и не активные устройства не мешают работе.
Рис. 6 – Окно «Device and Pin Options», Unused Pins
Далее нам нужно настроить пины, это нужно чтобы сигнал шел на нужные нам ножки чипа, ведь изначально Quartus не знает, что куда подключено и как именно осуществлена разводка платы.
Подключаем это все в «Assignment Editor»
Рис. 7 – Вызов «Assignment Editor» из меню или панели
В появившемся окне делаем как у меня, ну или если совсем правильно, то согласно схеме вашей платы.
Рис. 8 – Assinement Editor
В колонке «To» вписываем имя входа или выхода. В колонке «Assignment Name» выбираем «Location». В колонке «Value» номер контакта микросхемы, согласно схемы платы (у меня номера пинов написаны прямо на плате).
Также нужно указать, что делать с кнопками, которые одной ногой подключены к земле, а другой ко входу чипа. При нажатии на ноге будет низкий уровень, а вот без нажатия, непонятно, нога чипа будет просто висеть в воздухе, что очень плохо. Нужно подтянуть к питанию вход чипа либо резистором на плате, либо боле элегантным способом в «Assignments Editor». В колонке «Assignment Name» выбираем «Weak Pull Up resistor» для группы key* (группа обозначается через звездочку).
Рис. 9 – Assignment Editor
Нажимаем сохранить.
Далее нужно создать описание модуля верхнего уровня, который будет работать непосредственно с ножками чипа, все остальные модули будут работать только с ним. В главном меню жмем New, и выбираем “Design Files-> Block Diagram/Schematic File”.
Рис. 10 – Диалог новых файлов
В открывшемся окне выбираем инструмент «Pin Tool» и располагаем вход и выход (пины ввода и вывода) на диаграмме. Переименовываем вход как key[0], выход как led[0] и соединяем их проводником. Сохраняем и нажимаем “Start Compilation”.
Рис. 11 – Окно графического описания, выделены Pin Tool и Start Compilation
После компиляции у нас возникли предупреждения, пока игнорируем их, они касаются неподключенных пинов, отсутствия тактового сигнала и описания для «Timing Analyzer».
Подключаем демоплату и программатор, выбираем инструмент «Programmer». В окне должно значиться «USB-Blaster [USB-..]», если нет то нажимаем «Hardware Setup» и пытаемся разобраться почему нет, скорее всего не установлены драйвера, смотрим в устройства Windows, ищем неопределенные устройства, может с кабелем проблема. Если все хорошо нажимаем «Auto Detect» и выбираем наш чип.
Рис. 12 – Окно Programmer
Нажимаем двойным щелчком мыши в поле «File» и выбираем файл для записи на ПЛИС (находиться в папке output_files нашего проекта), ставим галочку в поле «Program / Configure», и нажимаем кнопку «Start».
Рис. 13 – Окно Programmer, наш чип уже сконфигурирован
Поздравляю с первой конфигурацией ПЛИС! Диод D1 должен светиться, при нажатии key1 должен гаснуть (так как кнопка замыкает ножку с землей), далее мы с этим что-нибудь сделаем)
Вторая часть