FPGAs für Maker

Eine praktische Einführung in programmierbare Logik

Cord Elias

• Verlag: dpunkt.verlag
• Jahr: 2016
• ISBN:
  9783960880318
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Electrical Engineering & Telecommunications

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) sind relativ komplexe programmierbare Logikbausteine. Mithilfe von FPGAs können mittlerweile jedoch auch Maker und Elektronikbastler eigene Chips entwerfen. Wie das geht, zeigt Ihnen dieses Buch.Zunächst wird erklärt, was FPGAs sind und wie sie funktionieren. Es folgt eine Einführung in die Hardwarebeschreibungssprache VHDL, die für die Projekte in diesem Buch verwendet wird.Danach wird Schritt für Schritt anhand zunächst ganz einfacher Beispiele erläutert, wie man eine Schaltung mithilfe eines FPGA realisiert. Im weiteren Verlauf werden die Schaltungen anspruchsvoller. Den Abschluss bildet ein Projekt, bei dem das Spiel "Pong" in Hardware realisiert wird. Die Anzeige erfolgt auf einem RGB-LED-Matrix-Display, dessen Ansteuerung per FPGA im Detail beschrieben wird.Die Projekte im Buch werden auf Basis kostenlos verfügbarer FPGA-Entwicklungsumgebungen der Hersteller Altera, Lattice, Microsemi und Xilinx sowie günstiger FPGA-Boards konkret umgesetzt. Dabei wird auf die Übertragbarkeit auf andere Systeme geachtet. Die verwendeten Entwicklungsumgebungen und FPGA-Boards werden außerdem kurz vorgestellt.Cord Elias konzentriert sich primär auf die Vermittlung von Fähigkeiten zum selbstständigen Umgang mit FPGAs. Er nimmt die Leserinnen und Leser an die Hand und leitet sie sicher durch eine Vielzahl von Details. Dass der Spaß dabei nicht zu kurz kommt, versteht sich von selbst.Der Quellcode zu allen Design-Beispielen steht zum Download bereit.

Teil II

Einfache Schaltungen

4 Los geht’s – das erste FPGA-Projekt

4.1 Einführung

Unser erstes Projekt ist eine Logikdemo. Wir realisieren logische Grundschaltungen (AND, OR, ...) und benutzten ein FPGA-Board zum Ausprobieren. Als Außenbeschaltung verwenden wir zwei Schalter, welche die Eingangspegel der logischen Grundschaltungen festlegen, sowie Leuchtdioden (entsprechend der Anzahl der logischen Grundschaltungen). Als Startpunkt verwenden wir das bereits im vorherigen Kapitel vorgestellte VHDL-File simple_logic.vhd (Listing 3-2).

Im Folgenden wird die Realisierung für das FPGA-Board »ARTY« ausführlich dargestellt¹. ARTY – Abbildung 4-1 zeigt dieses Board – enthält ein Xilinx-FPGA der Artix-7-Familie, benutzt wird die Toolkette »Vivado« in der kostenfreien »WebPACK«-Version. Äquivalente Beschreibungen für weitere Boards (mit anderen FPGAs und anderen Toolketten von Altera, Lattice, Microsemi und Xilinx (die ältere ISE-Umgebung)) befinden sich im Anhang. Dort wird auf das VHDL-Projekt fpga_basic Bezug genommen, welches später vorgestellt wird und ein wenig mehr als logische Grundschaltungen enthält.

Abbildung 4-1: ARTY

Der erste Schritt vor der Verwendung eines neuen FPGA-Boards ist neben dem Kauf des Boards die Beschaffung von Informationen:

• Benutzerhandbuch: Ist in der Regel auf der Homepage des Herstellers beziehungsweise Distributors verfügbar. Falls kein solches Dokument verfügbar ist, sollte man (auf jeden Fall als Anfänger) die Finger von dem Board lassen.
• Schaltplan: siehe Benutzerhandbuch
• Support-Files für das Board, insb. ein sog. Constraints-File (wird weiter hinten erklärt)
• Das Board sollte über ein »eingebautes« Debug- bzw. Programmier-Interface mit USB-Schnittstelle verfügen, so dass außer einem USB-Kabel keine weitere Hardware zum Übertragen der Konfigurationsdaten von dem Entwicklungs-PC auf das Board erforderlich ist. Allein ein JTAG-Interface reicht nicht; dann ist meistens noch ein sog. »Programming Cable« erforderlich, das schnell mit einem dreistelligen Euro-Betrag zu Buche schlägt.
• Bietet das Board die Peripherieelemente (Schalter, Taster, LEDs), die benötigt bzw. gewünscht werden? Hier sollte ggfs. vor der Auswahl des Boards der Schaltplan studiert werden, denn nur daraus lassen sich alle Details² entnehmen.
• Gut sind auch ein oder mehrere Referenzdesigns. Hier muss beachtet werden, dass solche Designs manchmal auch nur mit Verilog-Quellfiles (anstatt VHDL) verfügbar sind.

Für das Board »ARTY« stehen diese Informationen und noch viel mehr (u.a. Referenzdesigns) zur Verfügung:

https://reference.digilentinc.com/arty

Ganz ohne Englischkenntnisse geht es beim Lesen und Auswerten solcher Websites leider nicht, das trifft aber auch auf die Benutzung der Tools zu (bei Vivado stehen neben Englisch noch Japanisch und Chinesisch zur Auswahl).

Die folgende Beschreibung stützt sich nur auf das »Reference Manual« (https://reference.digilentinc.com/arty/refmanual) und das Constraints-File³ (https://raw.githubusercontent.com/Digilent/Arty/master/Resources/XDC/Arty_Master.xdc). So wird gezeigt, wie man ein Board auch ohne das Vorhandensein von Referenzdesigns etc. in Betrieb nimmt.

Zur Realisierung des Beispiels simple_logic werden an Peripherieelementen Schalter und Leuchtdioden benötigt. In dem ARTY-Manual, Abschnitt »9 Basic I/O«, befindet sich ein Blockschaltplan mit diesen Elementen. Abbildung 4-2 zeigt die wesentlichen Aspekte.

Abbildung 4-2: ARTY: I/O

Man erkennt, dass Taster (Buttons), Schiebeschalter (Slide Switches) und LEDs direkt an das FPGA angeschlossen sind. Die Bezeichner wie ›H5‹ für LED »LD4« geben den entsprechenden Pin des FPGA an⁴. Es ist auch ersichtlich, dass die Schiebeschalter zwischen den definierten Pegeln ›GND‹ und ›3.3V‹ umschalten, die einzige Unbekannte ist noch, welche Schalterstellung ›0‹ bzw. ›1‹ entspricht. Das wird jetzt einfach ausprobiert.

4.2 Vorbereitendes Experiment und Workflow

4.2.1 Anlegen eines Projekts

Wir starten daher mit einem ganz einfachen Experiment: Wir wollen LED »LD4« mit Schalter »SW0« schalten. Die im FPGA zu realisierende Schaltung besteht also lediglich aus »einem Stück Draht«!

Um loslegen zu können, muss die Xilinx-Software »Vivado« auf einem PC installiert sein (mit Unterstützung für Artix-7-Bausteine); am b...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titel
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• Teil I: Einführung
• Teil II: Einfache Schaltungen
• Teil III: Weiterführendes und Projekte
• Teil IV: Anhang
• Glossar
• Literaturverzeichnis
• Index
• Fußnoten