Введение в ПЛИС

Базовый курс

Андрей Жадан______________________Ростов-на-Дону______________________2024

Предисловие к циклу статей

Цикл статей посвящен изучению базовых принципов работы с ПЛИС. Данная статья включает в себя оглавление с ссылками на последующие публикации и введение курса. Последующие статьи будут раскрывать отдельные темы курса, возможно, также появятся вспомогательные статьи по разбору проектных заданий и сборник материалов профессионального уровня.

Разработка курса является частной инициативой, курс может содержать неточности, ошибки, однобокое освещение явлений и понятий, а его публикация может затянуться на долгое время, если вообще когда-то будет закончена. Обо всем, что можно улучшить или исправить, вы можете сообщить в комментариях, по возможности постараюсь это учесть.

Оглавление

• Методические рекомендации.

• Введение.

1. Что такое ПЛИС.

   • Определение.

   • История развития ПЛИС.

   • Типы ПЛИС.

   • Сравнение ПЛИС с другими интегральными схемами.

   • Работа с ПЛИС.

   • Производители ПЛИС.

   • Задание 1.

2. Языки описания аппаратуры.

   • HDL.

   • История развития.

   • Модульный принцип организации проектов.

   • Комментарии.

   • Примеры описания модуля.

   • Типы данных.

   • Состояния линий и форматы чисел.

   • parameter и localparam.

   • Операции в SystemVerilog.

   • always-блок.

   • Задание 2.

3. Процесс сборки и системы симуляции.

   • Quartus и Vivado.

   • Процесс сборки проекта.

   • Препроцессор.

   • Анализ исходного кода.

   • Синтез проекта.

   • Implementation.

   • Знакомство с процессом симуляции.

   • Виды Симуляции.

   • Testbench.

   • Системные функции.

   • Задание 3.

4. Подготовка проекта к портированию на плату.

   • Тип ПЛИС.

   • Серии и поколения.

   • Внутреннее устройство.

   • Примитивы.

   • Атрибуты.

   • Сопоставление пинов.

   • Дифференциальные сигналы.

   • Задание 4.

5. Конфигурация ПЛИС. Временные параметры.

   • Файл конфигурации ПЛИС.

   • JTAG.

   • Подключение к ПЛИС.

   • Логические анализаторы.

   • Анализ временных параметров.

   • Констрейнты.

   • Задание 5.

6. Система распределения тактовых сигналов. IP-блоки.

   • Дерево тактирования. Глобальные и локальные клоки.

   • Сигналы сброса.

   • Клоковые буферы.

   • IP-блоки.

   • PLL и MMCM.

   • Задание 6.

7. Внутрисистемные интерфейсы (Avalon/AXI). Потоковые интерфейсы (Streaming).

   • AXI Stream.

   • AvalonST.

   • Пакетная передача данных.

   • Модули FIFO. Одноклоковые и двухклоковые.

   • Переход между тактовыми доменами. Код Грея.

   • Метастабильность.

   • Задание 7.

8. Внутрисистемные интерфейсы (Avalon/AXI). Адресные интерфейсы (Memory mapped).

   • Взаимодействие Master-Slave.

   • Контрольно-статусный регистр (CSR).

   • Типы управляющих воздействий.

   • Avalon-MM.

   • AXI-Lite.

   • AXI3 и AXI4.

   • Режим Burst.

   • Задание 8.

9. Периферийные последовательные интерфейсы. UART, SPI, I2C, CAN.

   • UART.

   • RS485, RS422, RS232.

   • SPI.

   • I2C.

   • CAN.

   • Типовые задачи управления периферией.

   • Задание 9.

10. Начала цифровой обработки на ПЛИС.

    • Съем данных с АЦП.

    • Теорема Котельникова. Зоны Найквиста. Частота дискретизации.

    • Квадратурное понижающее преобразование.

    • Числа с плавающей точкой. IEEE754.

    • Цифровая фильтрация. КИХ-фильтр.

    • Блоки generate.

    • Функции и таски.

    • Задание 10.

11. Знакомство с системами интеграции. Platform Designer / Qsys - IP Integrator.

    • Platform Designer / Qsys.

    • IP Integrator.

    • Обзор встроенных IP-ядер.

    • Источник тактового сигнала.

    • Ввод/вывод данных. GPIO.

    • Интерконнект.

    • Добавление собственных IP-ядер.

    • Задание 11.

12. Знакомство с софт-процессорными системами. Microblaze и Nios.

    • Microblaze.

    • Nios II.

    • Nios V.

    • Адресация.

    • Память инструкций и пользовательская память.

    • Прерывания. Контроллер прерываний.

    • Задание 12.

13. Продолжение работы с процессорными системами. Знакомство с SDK и процессом написания встроенного ПО.

    • Nios II Software build tools for eclipse.

    • Xilinx SDK.

    • Vitis.

    • BSP.

    • .elf и конфигурирование системы.

    • Базовые принципы написания встроенного ПО.

    • Задание 13.

14. Элементы памяти DDR.

    • Типы элементов памяти DDR.

    • Разбор временных характеристик микросхем.

    • Задание 14.

15. Прямой доступ к памяти. Знакомство с ядрами DMA.

    • MSGDMA.

    • Дескрипторы.

    • Диспетчер.

    • Префетчер.

    • Задание 15.

16. Высокоскоростные трансиверы. SFP-модули. Интерфейсы SerialLite и Aurora.

    • Высокоскоростные приемо-передатчики. Принципы ввода-вывода и тактирования.

    • Аппаратное блоки.

    • Aurora.

    • SerialLiteII.

    • SerialLiteIII.

    • SFP-модули.

    • Задание 16.

17. PCI-e. Драйверы устройств.

    • PCI-e.

    • Драйверы устройств.

    • Linux.

    • Задание 17.

18. Сетевое взаимодействие. Ethernet. Уровни модели OSI.

    • Сетевое взаимодействие.

    • Уровни модели OSI.

    • RJ45.

    • Ethernet.

    • UDP.

    • TCP.

    • IP.

    • Задание 18.

19. Цифровая обработка сигналов. Цифровые фильтры, БПФ.

    • БПФ.

    • Различные виды фильтров.

    • Модуляторы и демодуляторы.

    • Задание 19.

20. Системы на кристалле.

    • Сборка процессорной системы.

    • Bootloader. UBoot.

    • Device Tree.

    • Модули ядра.

    • Задание 20.

21. Верификация. UVM.

    • UVM.

    • Agent. Sequencer. Driver. Monitor.

    • Формальная верификация.

    • Задание 21.

• Материальное обеспечение курса

Методические рекомендации.

При подготовке данного пособия я опирался на средний уровень студентов старших курсов бакалавриата и магистратуры физического факультета ЮФУ (начиная с 3 – 4го курса). Предполагается, что студенты уже знакомы с основами дискретной математики (булева алгебра) и схемотехники. Однако, данные условия не являются категоричными, неизвестные понятия и конструкции могут быть разобраны самостоятельно параллельно с прохождением курса. Поэтому пособие может быть полезно для всех, кто хочет разобраться в теме разработки проектов на ПЛИС.

Курс носит ознакомительный характер, призван дать общее понимание специфики работы с ПЛИС. Он составлен в основном на базе личного опыта автора с использованием различных материалов, но редким прямым цитированием, а также с использованием языковых моделей, в частности ChatGPT. Пособие не является истиной в последней инстанции и может содержать ошибки и неточности. При нахождении таких прошу уведомить меня по адресу z.a.013@rambler.ru. По задумке курс должен состоять из двух частей: «Введение в ПЛИС» и «Разработка на ПЛИС», где первая часть будет знакомить с актуальной тематикой профессии, а вторая будет представлять из себя сборник статей и материалов, которые подробным образом описывают конкретную тему.

Наилучшим, на мой взгляд, способом организации занятий будет организация курса по выбору, который смогут посещать, как студенты разных направлений факультета, так и студенты других факультетов по желанию. Занятия могут, например, осуществляться в виде двух пар (4х академических часов) один раз в две недели с совмещением теоретической подготовки и практических занятий. По ходу курса фокус должен постепенно смещаться с теории на практику. Завершаться курс может выполнением проектного задания. Проектное задание может быть как отдельной задачей, так и являться курсовой работой, выпускной квалификационной работой бакалавра или магистерской диссертацией.

В качестве материальной базы для выполнения проектных заданий буду рассматривать плату AX7A035B от Alinx и набор плат расширения: AN9767(2-канальный ЦАП (14 бит, 125MSPS)), AN9238(2-канальный АЦП (12 бит, 65MSPS)), AN706(8-канальный АЦП (16 бит, 200kSPS)), AN5642(бинокулярная камера), AN430(дисплей). Будем считать, что на группу из 12 человек мы имеем 3 базовых платы AX7A035B и по одной плате расширения. Для дальнейшего изучения систем на кристалле будем использовать плату управления Antminer S9 на базе ZYNQ7010. Также нам потребуется программатор, источник питания и, само собой, ЭВМ с релевантным софтом. Подробнее материальное обеспечение рассмотрим в статье: "Введение в ПЛИС: Материальное обеспечение курса / Хабр".

Введение.

Современный мир невообразим без вычислительной техники. Каждый день мы используем компьютеры и мобильные устройства, чтобы общаться с друзьями, работать, учиться и развлекаться. Но что находится внутри этих устройств? Как они работают? Наверное, многие задавали себе эти вопросы в детстве. У некоторых с возрастом они отошли на второй план. Другие же решили связать свою жизнь с технологиями и сами определяют, каков будет ответ.

На сегодняшний день сфера высоких технологий (условно объединим здесь IT, радио- и микроэлектронику, поскольку в дальнейшем будем говорить о сфере на стыке) развивается с невероятной скоростью. Каждый год появляются новые технологии и области, в которых нужны профессионалы. За время моего обучения в университете я приобрел некоторые знания в области математики и физики, однако, когда вышел на работу, дал знать о себе недостаток практического опыта, поэтому пришлось долго и упорно учиться, прежде чем заниматься чем-то по-настоящему серьезным. Конечно же, это типичная ситуация, и что бы вы не делали при поступлении на первую работу вас ждет процесс обучения и набора опыта. Однако, вполне возможно упростить и ускорить его с помощью введения в процесс обучения студентов практических курсов. В частности, очень востребованными являются курсы программирования, которые открывают дорогу к огромному множеству профессий. Здесь же мы предлагаем вам познакомиться с еще одной областью ИТ-индустрии - разработкой устройств на базе ПЛИС.

Благодаря своей гибкости, ПЛИС очень популярны в мелкосерийном производстве сложных радиоэлектронных систем, при создании универсальных ускорителей, прототипировании различных интегральных схем и во множестве других случаев. Они широко используются во многих областях, начиная от телекоммуникаций и заканчивая авиационной и автомобильной промышленностью. Однако, несмотря на большой спрос на специалистов в области hardware development, наблюдается дефицит кадров. Это открывает уникальные возможности для тех, кто хочет развиваться в сфере разработки на базе ПЛИС.

Рассматривая сферу разработки «железа», нельзя игнорировать аспект материальной выгоды, который для многих является значительным стимулом. Работа в высокотехнологичной индустрии часто ассоциируется с конкурентными и привлекательными уровнями дохода, чаще всего при этом вспоминают такие направления, как веб-разработка, мобильные приложения или искусственный интеллект. Если говорить более конкретно, специалисты в области hardware development, включая разработчиков на ПЛИС, выделяются своей редкостью и уникальностью навыков, что делает их особенно ценными на рынке труда. Как правило, карьера в области разработки на ПЛИС предлагает конкурентный уровень дохода, учитывая сложность и специфику работы. Даже будучи наемным работником можно зарабатывать значительно больше среднего уровня зарплаты по региону. Это не только отражает повышенный спрос на такие навыки, но и подчеркивает важность постоянного обучения и развития в этой быстро меняющейся сфере. Более того, растущий интерес к инновационным технологиям и развитие новых направлений, таких как искусственный интеллект и машинное обучение, продолжают открывать новые горизонты для специалистов в нашей сфере. Важно отметить, что спрос на квалифицированных специалистов в области разработки на ПЛИС остается высоким во многих странах, что делает эту профессию особенно привлекательной для тех, кто стремится к стабильности и профессиональному росту. Кроме того, навыки в этой области открывают широкие возможности для работы в международных компаниях и проектах, что дополнительно увеличивает их ценность на рынке.

Работа с ПЛИС - это не только высокооплачиваемое и востребованное направление, но и увлекательный творческий процесс. Разработка электронных схем на ПЛИС позволяет создавать уникальные, инновационные устройства, которые могут использоваться в различных отраслях. Одним из главных преимуществ работы с ПЛИС является возможность создания устройств, которые могут выполнять разные задачи, в зависимости от потребностей заказчика. Это позволяет разработчику быть гибким и творческим, поскольку он может использовать разные элементы, модули и компоненты для достижения желаемых результатов.

Кроме того, ПЛИС позволяют создавать высокопроизводительные устройства, которые могут обрабатывать большие объемы данных и работать с высокими скоростями их передачи. Это особенно важно в области телекоммуникаций, где каждая миллисекунда имеет значение. Наконец, работа с ПЛИС - это работа с инновациями, поскольку в этой области постоянно появляются новые технологии и возможности. Это требует от разработчика постоянного обучения и развития, что делает эту работу еще более интересной и увлекательной.

Следует отметить, что, говоря о ПЛИС, мы имеем в виду также разработку программно-аппаратных комплексов в целом. Hardware development - это действительно очень широкая область, которая охватывает множество процессов и задач. Например, это может включать в себя непосредственно разработку проектов на ПЛИС (RTL-design for FPGA), которая позволяет создавать современные устройства с высокой производительностью и энергоэффективностью. Однако, это лишь одна из множества возможностей в этой области. Hardware development также включает в себя процессы верификации, где необходимо проверить правильность работы устройства на всех этапах разработки, чтобы избежать возможных ошибок и дефектов. Также это может включать разработку для ASIC, что позволяет создавать устройства с еще более высокой интеграцией и оптимизацией. При работе с ПЛИС вы обязательно столкнетесь с отладкой на конкретных устройствах, что потребует от вас навыков в схемотехнике. Также наша область неразрывно связана с программированием, так на ПЛИС могут быть реализованы софт-процессоры, ПЛИС могут быть интегрированными с физическими процессорными ядрами, на которых можно запускать операционные системы и пользовательские приложения, так же, в основном управление верхнего уровня устройствами с ПЛИС осуществляется при помощи ЭВМ. Впрочем, подробнее об этом мы поговорим ниже.

Что же требуется, чтобы стать успешным разработчиком?

• Знание языков описания аппаратуры: Необходимо иметь опыт работы с языками описания аппаратуры, такими как Verilog, VHDL и SystemVerilog, которые используются для создания цифровых схем.

• Понимание архитектуры FPGA: Разработчики ПЛИС должны понимать, как устроены FPGA и как работают внутренние блоки, такие как блоки памяти, умножители, сумматоры, и т.д.

• Навыки проектирования: Разработчики ПЛИС должны иметь опыт проектирования различных цифровых схем, начиная от счетчиков, сдвиговых регистров и заканчивая сложными процессорными системами.

• Умение оптимизировать: Важно знать, как оптимизировать цифровые схемы для достижения наилучшей производительности, эффективности и минимального потребления энергии.

• Навыки отладки: Необходимо уметь использовать отладочное оборудование, такое как логический анализатор, осциллограф и другие инструменты, для отслеживания и исправления ошибок.

• Знание принципов верификации: Важно знать принципы верификации, такие как тестирование функциональности, проверка временных характеристик и т.д.

• Навыки командной работы: Работа в области hardware development часто включает в себя работу в команде, поэтому важно иметь навыки командной работы и уметь эффективно коммуницировать со своими коллегами. Не лишними будут умения работать с системами контроля версий и управления проектами.

• Знание английского языка. По крайней мере, на уровне свободного чтения технической документации. Это может сильно облегчить вашу работу.

Все это – навыки, которые можно приобрести и отточить в ходе обучения и работы по данной специальности, в этом мы и хотим вам помочь. Пока что, мы рассчитываем, что вам знакомы основы математики и физики, в частности булева алгебра и основы схемотехники. Впрочем, изучить можно все, поехали!