Программно-аппаратный модуль для разработки проектов на ПЛИС

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 библиотеках, 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.

Рис. 1. Панель OpenBus

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.

Рис. 2. Промежуточная схема из IP-блоков

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).

Рис. 3. Готовая схема устройства из IP-блоков

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).

Рис. 4. Создание файла SchDoc

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).

Рис. 5. Библиотека FPGA NB3000 Port-Plugin.Intlib

Для того чтобы окончательно сформировать файл SchDoc, требуется, используя ранее
описанную библиотеку, подключить соответствующие УГО к одноименным устройствам. После добавления в схему всех необходимых 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.

Рис. 6. Готовый к работе файл SchDoc

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.

Рис. 7. Окно настройки Device Stack

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!

Рис. 8. Синтезирование проекта

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, контроллеры 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.

Рис. 9. Модульный корпус для NanoBoard 3000

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