CC BY
180Программно-аппаратный модуль
для разработки проектов на ПЛИС
Олег илюкин
oiliukin@nanocad.ru
Компания Altium дополнила свое семейство макетных плат NanoBoard новой платой, обеспечивающей быструю разработку прототипов электронных устройств на базе Field-Programmable Gate Array (FPGA). Новая плата NanoBoard 3000 является программируемой средой разработки. Помимо аппаратных и программных средств, к плате относятся программные продукты (Intellectual Property, IP), не требующие приобретения отдельной лицензии, и специальная лицензия Soft Design на модуль программного проектирования Altium Designer. Таким образом, пользователь получает все необходимое для быстрой разработки прототипа на FPGA. Отпадает необходимость поиска в Интернете драйверов, периферийных функций и другого программного обеспечения, а также не нужно выполнять кропотливую работу по добавлению этих элементов к функционирующей конструкции.
Возможность макетирования электронного устройства, отражающего его реальные параметры, на этапе создания принципиальной электрической схемы без затрат времени на проектирование и производство самой печатной платы в период активного развития электроники очень важна.
Благодаря программно-аппаратному комплексу NanoBoard 3000 разработчики электронных устройств, даже не имея опыта работы, могут конструировать в FPGA сложные системы на основе программируемых процессоров. Для этого нет необходимости в подготовке в области программных языков VHDL или Verilog. Разработчики могут использовать уже существующие заготовки печатных плат и свои навыки в системном проектировании для конструирования, испытания и внедрения встраиваемых систем на базе FPGA. IP-библиотеки и интуитивные графические редакторы, являющиеся центральным элементом средства программного проектирования Altium Designer, облегчают добавление в систему процессоров, контроллеров памяти, периферийных блоков и программных стеков. У разработчиков есть все, что нужно для создания на базе FPGA из готовых компонентов встроенных систем нового поколения без написания HDL-кодов. Плата NanoBoard 3000 оснащена (на выбор) FPGA Xilinx Spartan 3AN, Altera Cyclone III, Lattice ECP2. У всех трех вариантов макетных плат матрица FPGA жестко задана.
В макетной плате NanoBoard 3000 реализованы следующие особенности архитектуры:
• Программируемая аппаратная среда позволяет многократно менять конфигурацию системы без каких-либо дополнительных затрат времени и средств.
• Реализована полная синхронизация с Altium Designer — САПР нового поколения компании Altium.
• Поддерживается добавление периферийной платы производства Altium или собственной разработки, что обеспечивает гибкость системы.
• Периферийная плата полностью распознается и конфигурируется.
• Есть возможность обновлять встроенное ПО платы через стандартное USB-соединение, при этом не требуется ни параллельного порта, ни адаптера USB JTAG.
Эта система является синхронизированной, так как при проектировании устройства внутри оболочки Design Explorer разработчик решает сразу несколько задач, связанных в один проект:
• программирование и реализация на ПЛИС;
• разработка проекта на базе ПЛИС;
• проектирование топологии платы;
• доработка печатной платы до ее производства.
Универсальность NanoBoard достигается благодаря широчайшему
спектру встроенных периферийных устройств, при этом поддерживается работа со многими распространенными интерфейсами: SVGA; RS-232; RS-485; PS/2; 10/100 Fast Ethernet; USB 2.0; S/PDIF; MIDI.
Основная часть NanoBoard — это периферийная плата, которая содержит ту или иную ПЛИС, в которой, собственно, и реализуется созданный проект. К установленной ПЛИС подведены все периферийные устройства и разъемы интерфейсов. Благодаря использованию NanoBoard можно получить прототип устройства, при этом не возникает необходимости создавать физическую модель: проект, реализованный на ПЛИС, позволяет легко и быстро вносить изменения в прототип.
Пользователь описывает проектируемое устройство с помощью принципиальной схемы, в которой наряду с обычными цифровыми компонентами используются особые библиотечные элементы (IP-блоки), соответствующие требуемой периферии, которые подключаются к необходимым узлам принципиальной схемы. При этом для описания устройства можно использовать как стандартные цифровые элементы, которые представлены в обширных поставляемых библи-
E
МР СбЧСлР? ІІН £*м{ И км II
ЖИЛ
'й.ла t'HNT
и?ы. «тело*
1Г,ИПГ|
ІЇШ*
Я Uv-ийпі
Тиіклйц.ци V№№iH«4l№ RtSCpHCiHl fefafl ralruixi ■■ ЇЗ-Ьйі **±« fhi
«якім m * мчй ttac*: сул ¥
ві-іічи-- Is їй! rnda mtxn*, Р» TwMu «
Рис. 1. Панель OpenBus
Рис. 2. Промежуточная схема из IP-блоков
отеках, так и встраиваемые VHDL-фрагменты. Аналогично используются и интерфейсы, которые также располагаются на принципиальной схеме, но в отличие от внешней периферии будут размещены внутри ПЛИС при синтезе проекта [1].
Поскольку проект макетируется на базе ПЛИС, возникает необходимость описать распределение ее выводов. Вся информация о распределении выводов ПЛИС описывается в constrain-файлах, которые являются составной частью проекта. При необходимости в одном проекте возможно использование нескольких constrain-файлов, разработчик разделяет между ними, например, описание выводов и требуемые ограничения задержки. Также в одном проекте можно использовать несколько конфигураций для реализации, каждая из которых будет ориентироваться на разные кристаллы и их использование. При необходимости такой файл можно импортировать соответственно из ISE, Quartus или ispLEVER.
При отладке любого устройства на ПЛИС к кристаллу должны подводиться тактирующие сигналы. Для реализации тактирования в NanoBoard предусмотрен синтезатор частот, который подсоединяется к узлам схемы. Его физическое подключение к кристаллу описано в constrain-файле и не требует от разработчика каких-либо действий. Пользователь может задать требуемую частоту синтезатора в диапазоне от 6 до 200 МГц.
Для более детального знакомства с основными этапами работы с NanoBoard создадим проект, в котором задействована USB-клавиатура, с помощью которой будет осуществляться управление светодиодами на передней панели NanoBoard с выводом на TFT-панель.
Создаем проект с самого начала: File -> New -> Project -> FPGA Project. После создания проекта его необходимо сохранить:
Save Project As... (не забывайте периодически сохранять проект). Далее добавляем в дерево проекта документ OpenBuS (Add New to Project-> OpenBus System Document).
После создания файла в левой части окна открывается OpenBus Palette, в которой есть соединители, микропроцессоры, память и многочисленные периферийные устройства с кратким описанием каждого из элементов (рис. 1). Все устройства в этой панели уже построены на NanoBoard [2]. На данный момент возможность создавать собственные IP-блоки отсутствует, работать можно только с созданными IP-блоками и библиотечными элементами. Следует отметить, что работать с NanoBoard необходимо совместно с Altium Designer.
Далее с помощью готовых IP-блоков начинаем создавать макет будущего устройства. Для начала нужно выбрать микропроцессор. В данном случае выбираем TSK3000A с 32-битной RISC-архитектурой [3]. Для реализации
поставленной ранее задачи необходимы еще другие IP-блоки, такие как USB Interconnect для клавиатуры, LED Controller для подключения светодиодов, Terminal instrument и VGA 32-bit ILI9320 для отображения на TFT-панели, после чего добавляем соединители — Interconnect. Отметим, что красный порт является доминирующим, а зеленый — подчиненным. Получаем часть схемы согласно рис. 2.
Теперь для полноценного функционирования и работы необходимо наличие памяти. Для этого опять нужна панель OpenBus Palette. В разделе Memories выбираем SRAM Controller. Поскольку данную память будут использовать и другие устройства, то в схему надо добавить Shared Memory NB3000, при этом настройки памяти оставляем по умолчанию. Далее нужно добавить соединители Interconnect и Arbiter для определения приоритета обращения к памяти, после чего необходимо соединить все IP-блоки между собой (рис. 3).
Прежде чем перейти к следующей части проекта, нужно сохранить изменения. Следующим шагом будет перенос информации в файл создания принципиальной электрической схемы. Для этого создаем файл Schematic (Add New to Project -> Schematic). Открываем этот файл, щелкаем правой кнопкой мыши и кликнем Create Sheet Symbol From Sheet or HDL в подменю Sheet Actions. После чего выбираем созданную ранее схему и получаем преобразование файла OpenBus в SchDoc (рис. 4).
Теперь необходимо произвести то же самое, что и при создании OpenBus файла. Единственное отличие лишь в том, что надо использовать специализированную библиотеку FPGA NB3000 Port-Plugin.Intlib, в которой находятся все устройства, входящие в NanoBoard (рис. 5).
Для того чтобы окончательно сформировать файл SchDoc, требуется, используя ранее описанную библиотеку, подключить соответствующие УГО к одноименным устройствам. После добавления в схему всех необ-
Рис. 4. Создание файла SchDoc
Рис. б. Готовый к работе файл SchDoc
Рис. 7. Окно настройки Device Stack
Рис. 8. Синтезирование проекта
Рис. 5. Библиотека FPGA NB3000 Port-Plugin.Intlib
ходимых элементов получаем завершенную часть проекта аппаратных средств (рис. 6). Теперь нужно провести компиляцию проекта — для выявления ошибок. При верном выполнении предыдущих действий ошибок возникнуть не должно.
Последним этапом перед компиляцией проекта является настройка Device Stack (рис. 7). Используя команду Grow Stack Up, нужно произвести настройку памяти (USB_WB_SHARED_MEM_CT), USB-порта (USB_INTERCON_1), светодиодов (WB_LED_ CTRL_1), TFT-панели (WB_ILI9320_1) и виртуального экрана (TERMINAL_1). Используя команду Link to Existing Stack, необходимо объединить USB_WB_SHARED_MEM_CT и USB_INTERCON_1. После того как корректная настройка проведена, можно переходить к последнему шагу — компиляции проекта.
Для компиляции проекта необходимо перейти на вкладку Devices. При включении NanoBoard будет отображаться модель и версия программного обеспечения устройства. После этого требуется запустить поочередно каждую вкладку: Compile, Synthesize, Build, Program FPGA (рис. 8). Проект готов!
После синтезирования проекта во всплывающем окне появится отчет о процентном заполнении кристалла.
Проверить правильность его работы можно с помощью USB-клавиатуры, осуществляя ввод соответствующих команд, отображенных на TFT-панели устройства.
В комплекте поставки приведено множество примеров комплексных устройств, в которых задействована вся периферия. Параллельно можно использовать несколько плат NanoBoard. Для этого используется разъем NanoTalk, кон-
троллеры которого управляют маршрутизацией сигналов и обеспечивают непрерывную JTAG-связь нескольких плат. Это позволяет одновременно использовать ПЛИС разных производителей, а также проводить тестирование и отладку пользовательской платы. Можно проводить и ручную оптимизацию проектов. Благодаря специальным модульным корпусам (рис. 9) у разработчиков появилась возможность использовать NanoBoard 3000 в качестве готового устройства. ■
Литература
1. Тархов А. С. Отладка и макетирование цифровых устройств с помощью NanoBoard // EDA Express. 2004. № 10.
2. Altium Designer Help. AR0144 Streamlining Processor-based FPGA Design with the OpenBus System.pdf
3. Altium Designer Help. CR0140 FPGA Processor Resource Usage.pdf
