Сделай шаг к ПЛИС
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.
Источник: https://habr.com/post/274829/
Архитектура ПЛИС. Часть 1. Логический элемент
Шауэрман Александр А. shamrel@yandex.ru
Для многих начинающих разработчиков ПЛИС представляется неким волшебным черным ящиком, который по мановению компилятора превращает исходный код в реально действующую схему. И кажется думать не нужно, что там внутри, пиши и пиши себе абстрактный код, особенно, если используется высокоуровневый язык, такой как Verilog.
Но первое отрезвление приходит, когда выясняется, что в том же Veriloge есть синтезируемое и не синтезируемое подмножество. Оказывается, не все возможности языка могут быть реализованы в железе. Второе отрезвление наступает, когда выясняется, что комбинация некоторых синтезируемых по отдельности выражений отказывается работать вместе.
Я помню свою по-детски наивную обиду, когда выяснилось, что одному регистру нельзя присвоить значение в различных блоках always. Или когда не удалось заставить always работать от положительного и от отрицательного фронта одного тактового сигнала. Хотя и то, и другое языком не запрещено и многие симуляторы запустят такой код.
Потому рано или поздно разработчик должен отказаться от концепции черного ящика и изучить аппаратные возможности и структуру ПЛИС.
Каждое семейство ПЛИС обладает своими особенностями архитектуры, однако нас в первую очередь будет интересовать семейство Cyclone IV, так как на нем выполнен отладочная плата LESO2.
В ПЛИС для конфигурации используется оперативная память CRAM (Configuration RAM). Эта память распределена по всему кристаллу, значения, записанные в нее, управляют внутренним коммутационным полем, определяя структуру синтезируемого цифрового устройства.
Как правило, в ПЛИС архитектуры FPGA эта память энергозависимая и при подаче питания на устройство требуется загрузить в нее значения из какого-либо внешнего (по отношению к кристаллу ПЛИС) носителя, часто для этих целей используется микросхема ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство), либо микроконтроллер, а в случае стенда LESO2, загрузка осуществляется из компьютера.
Одной из важнейших характеристик ПЛИС является ее логическая емкость. Емкость определяет насколько сложные цифровые устройства можно синтезировать. Другими словами, логическая емкость показывает сколько всего поместится в кристалле.
Если вам уже доводилось компилировать в Quartus II проект для ПЛИС, то должны были обратить внимание на итоговый отчет, где указывается какие ресурсы и в каком количестве использованы в проекте, а также указывается процентное соотношение от максимального. Основной ресурс ПЛИС – это логические элементы (Logic Elements).
В ПЛИС EP4CE6E22C8, а именно такая использована в учебном стенде, таких элементов 6272. Это много или мало? Для того, чтобы ответить на это вопрос, следует рассмотреть, что же из себя представляет этот логический элемент.
Базовый логический элемент
Из булевой алгебры известно, что используя некий элементный базис, например элемент И-НЕ или ИЛИ-НЕ, можно реализовать любую логическую функцию.
Однако использование лишь одного типа элемента не всегда оправдано технически, при синтезе сложных устройств большое количество элементов увеличит время прохождения сигнала и тем самым снизит быстродействие.
Поэтому в ПЛИС структуры FPGA в качестве простейшего логического элемента используют более сложную структуру, представляющей собой соединение программируемого комбинационного устройства и D-триггера. На рисунке 1 показана упрощенная структура такого элемента.
Рисунок 1 – Обобщенная структура логического элемента (LE) ПЛИС
Ячейка имеет три логических входа DATAA, DATAB и DATAC, вход тактовых импульсов CLK и один выход LEOUT.
В случае если от ячейки требуется работа в качестве только комбинационного устройства, то выходной мультиплексор коммутирует выход элемента LUT на выход всей ячейки, если выход должен быть регистровым, то сигнал с LUT защелкивается по сигналу синхронизации в D-триггер, выход которого через мультиплексор соединяется с LEOUT. Управляющий вход мультиплексора (на рисунке не показан) подключен к соответствующему биту конфигурационной памяти CRAM.
Если ни у кого не вызывает вопросов как работает триггер и мультиплексор, то с элементом, обозначенным на схеме как LUT, все несколько сложнее.
Аббревиатура LUT расшифровывается как Look-Up Table или просто Lookup Table, что дословно можно перевести как “справочная таблица” или “таблица поиска”.
LUT – это больше, чем таблица, LUT – это скорее метод реализации функции, в котором непосредственное вычисление заменяется поиском по таблице готовых решений.
Применительно к ПЛИС это позволяет реализовать любую логическую функцию в виде памяти SRAM, где адрес – это аргумент, а содержимое ячейки – значение.
Таким образом, для того, чтобы описать логическую функцию трех переменных (в приведенном примере именно три переменные: DATAA, DATAB и DATAC) достаточно памяти на 8 ячеек. Требуемая таблица истинности хранится в виде маски (LUT-mask) в соответствущей ячейке CRAM. С помощью мультиплексоров выбирается нужное значение. Мультиплексорами управляют сигналы входных портов для построения k-входовой LUT (k-LUT), которая реализует любую логическую функцию из k переменных, требуется 2k бит SRAM и 2k-1 мультиплексоров. На рисунке ниже показана трехвходовая LUT.
Рисунок 2 – Устройство LUT
При таком подходе можно достаточно точно спрогнозировать время прохождения сигнала и оно не будет зависеть от реализуемой логической функции. Эта важная особенность делает возможным временной анализ схемы.
Хорошо! Используя логический элемент, показанный на рисунке 1, можно получить любую логическую функцию трех переменных и ее регистровый вариант.
А как быть, если нам понадобится реализовать какой-либо триггер, отличный от D-триггера? Для реализации некоторых типов достаточно имеющегося комбинационного устройства (LUT) на входе D-триггера, но для реализации всех известных триггеров нам все же придется внести некоторые изменения в базовую схему.
Во-первых, необходимо ввести обратную связь: для этого с выхода D-триггера подадим сигнал на один из входов LUT. Для того, чтобы достигнутый ранее функционал не пострадал, мы не имеем право занимать уже имеющиеся входа, заменим LUT на 4-х входовый.
Во-вторых, увеличим функциональность самого D-триггера, добавим дополнительные линии управления: вход разрешения ENA (от английского “Enable” – “Включить”) и вход асинхронного сброса ACLR (от английского “Asynchronous Clear” – “Асинхронная Очистка”). В результате получим схему пригодную для синтеза любых триггеров:
Рисунок 3 – Структура логического элемента (LE) с обратной связью
Существует особый широко распространенный класс логических функций, который подразумевает наличие двух выводов. Речь идет о сумматорах.
На вход полного двоичного сумматора поступает два операнда и флаг переноса из младшего разряда, а на выходе сумма и перенос в следующий двоичный разряд.
Так как арифметические задачи типичны для ПЛИС, для работы с переносом в базовом логическом элементе предусмотрен специальный канал.
Рисунок 4 – Структура логического элемента (LE) с каналом переноса
Фактически для переноса требуется ввести дополнительную LUT, как показано на рисунке 4, но для простоты восприятия комбинацию LUT будем рассматривать как один целый модуль.
Используя канал переноса, легко объединить ячейки для получения многоразрядного сумматора. На рисунке 5 показана схема 4-разрядного сумматора с последовательным переносом, построенная на четырех базовых логических элементах.
Рисунок 5 – Четырехразрядный сумматор
При разработке базовой логической ячейки решались две задачи: во-первых, синтезируемые устройства должны обладать максимальным быстродействием, во-вторых, использование ресурсов должно быть как можно более полным.
В предыдущем примере, если требуется работа сумматора исключительно как комбинационной схемы, выходные мультиплексоры сигнал возьмут с выходов LUT, а вся цепочка триггеров окажется неиспользованной.
В противоположность этому, при синтезе последовательного или параллельного регистра, все LUT будут по сути выполнять функцию проводника: соединять вход LE с входом D-триггера.
Небольшое дополнение к схеме, даст возможность при необходимости использовать комбинационное устройство и триггер элемента раздельно для синтеза независимых модулей. Мультиплексор на входе триггера позволит выбирать источник сигнала: либо с входа DATAC, либо с выхода LUT.
Кроме того, появляется возможность организовать дополнительный канал соединения триггеров соседних LE для увеличения быстродействия при построении последовательных регистров. На рисунке 6 показана схема получившегося логического элемента. Вход REGIN и выход REGOUT образуют выделенный канал для соединения триггеров, вход SLOAD (от английского “Synchronous Loading” – “Синхронная загрузка”) управляет выбором источника сигнала для входа триггера.
Рисунок 6 – Структура логического элемента (LE) с возможностью разделения LUT и триггера
Базовый логический ПЛИС Cyclone IV
Рассмотренный элемент LE в том или ином виде присутствует в различных семействах ПЛИС, в нем может быть увеличено количество входов и сложность LUT, добавлены дополнительные соединения внутри LE и порты для интеграции в глобальную коммутационную сеть ПЛИС.
Так, например, в топовом семействе Stratix IV в один элемент входит две шестивходовые LUT, два выделенных полных сумматора и четыре триггера! Однако, с практической точки зрения, для эффективной работы со стендом LESO2 нам целесообразно рассмотреть более подробно реализацию LE в семействах Cyclone, в частности в Cyclone IV.
На рисунке 7 показана схема логического элемента ПЛИС Cyclone IV.
Рисунок 7 – Логический элемента (LE) Cyclone IV
Также, как и в базовом логическом элементе, каждый триггер имеет вход данных, вход тактовых импульсов CLK, вход разрешения ENA и вход асинхронного сброса (очистки) ACLR.
Добавился сигнал синхронной очистки SCLR (от английского “Synchronous Clear” – “Асинхронная Очистка”): если на этом входе появится логическая единица, то следующим тактовым импульсом в триггер будет записал логический ноль.
Все это позволяет настроить программируемый триггер каждой LE на работу в режиме D, T, JK или RS триггера.
Комбинационное устройство по сравнению с базовой схемой получило некоторое усложнение. На входе C LUT мультиплексор выбирает источник сигнала, благодаря чему LUT может реализовывать логическую функцию четырех переменных, кроме того, в качестве переменной может быть использован флаг переноса или выход собственного триггера.
В Cyclone IV LUT может работать в двух режимах: нормальном и арифметическом. Quartus II при компиляции автоматически выберет оптимальный режим для реализации требуемой функции. Нормальный режим предназначен для реализации основной логики и различных комбинационных функций.
В этом режиме четыре входа LE (DATAA, DATAB, DATAC, DATAD) поступают на четыре входа LUT. Компилятор автоматически выбирает вход переноса CIN, вход DATAC или выход триггера (цепь обратной связи) в качестве одного из входов LUT.
Арифметический режим подходит для синтеза сумматоров, счетчиков, аккумуляторов и компараторов (цепей сравнения). В этом режиме LUT представляет собой полный одноразрядный сумматор, включающий обработчик логики флага переполнения.
Компилятор сам создает цепи переноса во время синтеза многоразрадных арифметических устройств.
Можно обратить внимание, что на рисунке логического элемента Cyclone IV отсутствует выходной мультиплексор, на самом деле он есть и не один. Но для того, чтобы понять логику их работы, нужно рассмотреть LE в контексте общей архитектуры ПЛИС.
Логические элементы LE объединяются в логические блоки LAB (Logic array blocks). В Cyclone IV каждый LAB содержит:
- 16 логических ячеек;
- сигналы управления LAB;
- цепи флага переноса LE;
- цепи каскадного объединения регистров;
- цепи локальных соединений.
Цепи локальных соединений передают сигналы между ячейками LE в одном LAB. Цепи объединения регистров соединяют выход регистра одного LE с входами регистров прилегающих ячеек LE. Компилятор Quartus II размещает связанную логику в LAB или в соседних LAB, позволяя использовать локальные цепи связи и связи регистров для увеличения производительности и эффективности размещения.
На цепи локальных соединений поступают сигналы со строк и столбцов глобального коммуникационного поля и с выходов ячеек LE, принадлежащих этому же блоку LAB.
Соседние логические блоки, блок генератора с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), ячейки памяти M9K RAM, встроенные умножители, расположенные с правой или левой стороны через специальные соединители, могут быть напрямую подключены к цепям локальных соединений LAB.
Таким образом, любая ячейка LE может иметь соединение с шестнадшатью LE из своего блока (включая саму себя) и тридцатью двумя LE из LAB, расположенных слева или справа.
Всего до 48-ми соединений! Такие непосредственные прямые соединения минимизируют использование глобальных маршрутов, обеспечивают большую гибкость при синтезе схемы и увеличивают общее быстродействие.
На рисунке 8 показана интеграция блока LAB в глобальную коммуникационную сеть ПЛИС.
Рисунок 8 – Структура соединений LAB в коммутационном поле ПЛИС
Каждый LE имеет три выхода, которые обеспечивают соединение с коммутационным полем ПЛИС. Эти выходы поступают на строки и столбцы глобальных соединительных трасс и на маршруты локальных соединений. Как и в базовом логическом элементе, LUT или триггер могут независимо управлять этими выходами.
Для того, чтобы можно было управлять всеми ячейками LE в пределах одного LAB одновременно, в логический блок встроена специальная логика и выделены особые линии – каналы управления. По таким каналам распространяются широковещательные (в пределах одного LAB) сигналы управления. Архитектура позволяет одновременно использовать до восьми управляющих сигналов:
- два тактовых сигнала (labclk1 и labclk2);
- два сигнала разрешения (labclkena1 и labclkena2);
- два сигнала асинхронного сброса (labclr1 и labclr2);
- сигнал синхронного сброса/очистки (synclr);
- сигнал синхронной загрузки (syncload).
Сигналы синхронной загрузки и сброса удобно использовать для синтеза различных счетчиков и регистров. Эти сигналы оказывают воздействие на все триггеры LE в пределах одного LAB.
На рисунке 9 показано подключение управляющих сигналов LAB и цепей локальных соединений к логической ячейке. Выводы LE соответствуют рисунку 7.
Рисунок 9 – Структура взаимодействия LE с сигналами управления
Каждый LAB имеет два тактовых сигнала и два сигнала разрешения. На уровне логического элемента выбирается какой сигнал будет подан на триггер, но тактовый сигнал связан с сигналом разрешения.
Поэтому, хотя для любого LE в конкретной LAB можно выбрать какой тактовый сигнал использовать: labclk1 или labclk2, вместе с ним должен использоваться соответствующий сигнал разрешения. Например, если используется labclk1, вместе с ним будет использоваться только labcken1.
Если LAB использует оба фронта (нарастающий и падающий) тактового сигнала, то будут задействованы оба канала тактирования, при этом логика выбора усложнится.
Chip Planer
После компиляции в окне Flow Summary можно посмотреть, какие ресурсы были использованы. После небольшого экскурса в архитектуру ПЛИС становился понятно, что значит Total logic elements и почему Total combinational function вынесено отдельной графой. Безусловно информация полезная, но для того, чтобы держать руку на пульсе этого явно недостаточно.
Рисунок 10 – Отчет компиляции
Для визуального контроля используемых ресурсов в Quartus II применяется утилита Chip Planer. Она показывает расположение и использование элементарных блоков в общей архитектуре целевой ПЛИС. Запустить Chip Planer можно из среды Quartus: меню Tools -> Chip Planer.
На карте кристалла (рисунок 11) показаны все ресурсы ПЛИС: LE, объединенные в LAB, аппаратные умножители (DSP block), ячейки памяти, буферы ввода вывода, генераторы PLL. Цветом показана степень использования: светлым – неиспользуемые блоки, темным – максимально загруженные.
Если увеличить масштаб (соответствующий инструмент на панел или ctrl+колесико мышки), то доступна детализация на уровне LE, здесь синим показан LUT, темно красным – триггер.
Большую детализацию можно получить если на панели Layers Settings сменить Basic на Detailed. В этом режиме при приближении видны локальные и глобальные цепи соединений, глобальные линии управления и управляющие сигналы LAB.
Рисунок 11 – Карта ресурсов ПЛИС
Если в LE выделить LUT или триггер, то на панели Node Properties можно увидеть схему LE и описание свойств и режимов работы. Двойной клик мыши по LUT или триггеру запустит в новом окне инструмент Resource Property Editor, в котором можно исследовать соединения внутри логического элемента. Синим выделены используемые цепи.
Рисунок 12 – Логический элемент в Resource Property Editor
Вместо заключения
Это далеко не полное описание архитектуры ПЛИС, за кадром остались такие важнейшие элементы как DSP блоки (умножители), блоки оперативной памяти, генератор PLL, буферы ввода-вывода, в последующих статьях цикла я постараюсь уделить им должное внимание. Однако следующий материал будет посвящен применению знаний о структуре логического элемента LE и об их объединении при проектировании простейших цифровых устройств.
Вторая статья цикла: Архитектура ПЛИС. Часть 2. Мультиплексор
Литература
Cyclone IV Device Handbook
White Paper: FPGA Architecture
Источник: http://www.labfor.ru/articles/fpga_arch_le
Плис (fpga) и микроконтроллер. в чем разница? 1
Altera-Cyclone and Arduino
Суть вопроса. Разница между ПЛИС и микроконтроллером
Каждый начинающий микропрогер на определенном этапе своего развития задается вопросом в чем же разница между ПЛИС (фирм Altera или Xilinx) и микроконтроллером (микропроцессором)?
Читаешь форумы — знатоки дела пишут, что это совершенно разные вещи, которые нельзя сравнить, аргументируя это тем, что у них разная архитектура.
Читаешь мануал по Verilog или C++ — и тот и другой используют похожие операторы со схожим функционалом, даже синтаксис похож, а почему разные? Заходишь на марсоход — там светодиодами (или даже просто лампочками) с помощью FPGA моргают, смотришь проекты на Arduino — там роботами управляют. СтОп!
А вот теперь остановимся и спросим себя: почему с ПЛИС — тупо лампочка, а Ардуино — умно робот? Ведь и первый и второй вроде как программируемое устройство, неужели у ПЛИС возможностей для робота не хватает?
В какой-то степени суть вопроса «В чем разница между ПЛИС и микроконтроллером?» раскрывается именно на таком примере.
Отметим сразу.
Функционал ПЛИС изначально не уступает микроконтроллеру (и микропроцессору, кстати, тоже), точнее — основные функции у одного и второго по сути идентичны — выдавать логические 0 или 1 при определенных условиях, а если говорить о быстродействии, количестве выводов(ножек) и возможностях конвейерной обработки, то микроконтроллеру до ПЛИСа вообще далеко. Но есть одно «но». Время на разработку одного и того же программного алгоритма на двух разных устройствах (ПЛИС и микроконтроллер) различается в разы, а то и в десятки раз. Именно ПЛИС здесь в 99% случаев сильно уступает МК. И дело вовсе не в замороченности языков Verilog, VHDL или AHDL, а в устройстве самой ПЛИС.
О взаимодействии программного языка с архитектурой ПЛИС и микроконтроллера
FPGA: в ПЛИС и нет сложных автоматизированных цепочек(делающих часть работы за вас). Есть только железные проводные трассы и магистрали, входы, выходы, логические блоки и блоки памяти. Среди трасс есть особый класс — трасса для тактирования(привязанная к определенным ножкам, через которые рекомендуется проводить тактовую частоту).
Основной состав:
Трасса — металл, напаянный на слои микросхемы, является проводником электричества между блоками.
Блоки — отдельные места в плате, состоящие из ячеек. Блоки служат для запоминания информации, умножения, сложения и логических операций над сигналами вообще.
Ячейки — группы от нескольких единиц до нескольких десятков транзисторов.
Транзистор — основной элемент ТТЛ логики.
Выводы (ножки микросхемы) — через них происходит обмен ПЛИС с окружающим миром. Есть ножки специального назначения, предназначенные для прошивки, приема тактовой частоты, питания, а так же ножки, назначение которых устанавливаются пользователем в программе. И их, как правило, гораздо больше, чем у микроконтроллера.
Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается большая часть работы ПЛИС.
Архитектура ПЛИС. Взаимосвязь составляющих элементов
Трассы подключаются к блокам с помощью специальных КМОП-транзисторов. Эти транзисторы способны сохранять свое состояние(открытое или закрытое) на протяжении длительного периода времени.
Изменяется состояние транзистора при подаче сигнала по определенной трассе, которая используется только при программировании ПЛИС. Т.е., в момент прошивки осуществляется именно подача напряжения на некоторый набор КМОП-транзисторов. Этот набор определяется прошивочной программой.
Таким образом происходит сложное построение огромной сети трасс и магистралей внутри ПЛИС, связывающей сложным образом между собой огромное количество логических блоков.
В программе вы описываете какой именно алгоритм нужно выполнять, а прошивка соединяет между собой элементы, выполняющие функции, которые вы описываете в программе. Сигналы бегают по трассе от блока к блоку. А сложный маршрут задается программой.
Архитектура ПЛИС (FPGA)
Архитектура Микроконтроллера
В этом элементе ТТЛ логики все операции по обработкам отдельных сигнальчиков проводятся независимо от вас. Вы лишь указываете что делать с тем или иным набором принятых сигналов и куда выдавать те сигналы, которые нужно передать.
Архитектура микроконтроллера состоит совсем из других блоков, нежели ПЛИС. И связи между блоками осуществляются по постоянным магистралям(а не перепрошиваемым).
Среди блоков МК можно выделить основные:
Постоянная память (ПЗУ) — память, в которой хранится ваша программа. В нее входят алгоритмы действий и константы. А так же библиотеки(наборы) команд и алгоритмов.
Оперативная память (ОЗУ) — память, используемая микроконтроллером для временного хранения данных(как триггеры в ПЛИС). Например, при вычислении в несколько действий.
Допустим, нужно умножить первое пришедшее число на второе(1-е действие), затем третье на четвертое(2 действие) и сложить результат(3 действие). В оперативную память при этом занесется результат 1 действия на время выполнения второго, затем внесется результат 2 действия.
А затем оба этих результата пойдут из оперативной памяти на вычисление 3 действия.
Процессор — это калькулятор микроконтроллера. Он общается с оперативной памятью, а так же с постоянной. С оперативной происходит обмен вычислениями. Из постоянной процессор получает команды, которые заставляют процессор выполнять определенные алгоритмы и действия с сигналами на входах.
Средства (порты) ввода-вывода и последовательные порты ввода-вывода — ножки микроконтроллера, предназначенные для взаимодействия с внешним миром.
Таймеры — блоки, предназначенные для подсчета количества циклов при выполнении алгоритмов.
Контроллер шины — блок, контролирующий обмен между всем блоками в микроконтроллере. Он обрабатывает запросы, посылает управляющие команды, организовывает и упорядочивает общение внутри кристалла.
Контроллер прерываний — блок, принимающий запросы на прерывание от внешних устройств. Запрос на прерывание — сигнал от внешнего устройства, информирующий о том, что ему необходимо совершить обмен какой-либо информацией с микроконтроллером.
Внутренние магистрали — трассы, проложенные внутри микроконтроллера для информационного обмена между блоками.
Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается вся работа микроконтроллера.
Взаимосвязь составляющих блоков микроконтроллера
В микроконтроллере, в отличии от ПЛИС, работа происходит между вышеперечисленными блоками, имеющими сложную архитектуру, облегчающую процесс разработки программ. При прошивке вы изменяете только постоянную память, на которую опирается вся работа МК.
Архитектура микроконтроллера
Основное отличие ПЛИС и микроконтроллера
ПЛИС прошивается на уровне железа, практически по всей площади кристалла. Сигналы проходят через сложные цепочки транзисторов.
Микропроцессор же прошивается на уровне программы для железа, сигналы проходят группами, от блока к блоку — от памяти к процессору, к оперативной памяти, от оперативной к процессору, от процессору к портам ввода-вывода, от портов ввода-вывода к оперативной памяти, от оперативной памяти… и так далее.
Вывод: за счет архитектуры ПЛИС выигрывает в быстродействии и более широких возможностях конвеерной обработки, МК выигрывает в простоте написания алгоритмов.
За счет более простого способа описания программ, фантазия разработчика Микроконтроллера менее скованна временем на отладку и разработку, и, таким образом, время на программирование того же робота на МК и ПЛИС будет отличаться во многие и многие разы. Однако робот, работающий на ПЛИС будет гораздо шустрее, точнее и проворнее.
Железо и программа.
В ПЛИС всю работу нужно делать самому, вручную: для того, чтобы реализовать какую-либо программу на ПЛИС, нужно отследить каждый сигнальчик по каждому проводку, приходящему в ПЛИС, расположить какие-то сигнальчики в ячейки памяти, позаботиться о том, чтобы в нужный момент именно к этим ячейкам памяти обратился другой сигнальчик, который вы так же отслеживаете или даже генерируете, и в итоге набор сигнальчиков, задержанный в памяти задействовал нужный вам сигнальчик, который, например, пойдет на определенную выходную ножку и включит светодиодик, который к ней подключен. Часть сигнальчиков идет не в память, а например на запуск определенной части алгоритма(программы). То есть, говоря языком микропрогера, эти ножки являются адресными. Например, имеем на нашей плате в нашей программе три адресные ножки для включения неких не связанных(или связанных) друг с другом алгоритмов, которые мы реализовали на языке Verilog в ПЛИС. Также в программе, кроме трех адресных ножек, у нас есть еще например 20 информационных ножек, по которым приходит набор входных сигнальчиков(например с разных датчиков) с какой-либо информацией (например температура воды в аквариуме с датчика температуры воды в аквариуме). 20 ножек = 20 бит. 3 ножки -3 бита. Когда приходит адресный сигнал 001(с трех ножек адреса) — запускаем первый алгоритм, который записывает 20 информационных сигнальчиков в 20 ячеек памяти(20 триггеров), затем следующие 20 сигнальчиков умножаем на полученные ранее 20, а результат умножения записываем в память, а потом отсылаем по другим ножкам например в терморегулятор воды в аквариуме. Но Отошлем мы этот результат только тогда, когда на наши адресные ножки придет код например 011 и запустит алгоритм считывания и передачи. Ну, естественно «отсылаем», «считываем» и еще что-то прописываем в ручную. Ведем каждый сигнальчик в каждый такт работы ПЛИС по определенному пути, не теряем. Обрабатываем или записываем. Складываем или умножаем. Не забываем записать. Не забываем принять следующий сигнал и записать в другие триггеры. Еще добавьте сюда работу, привязанную к тактовой частоте, синхронизацию (которая так же реализуется вручную), неизбежные ошибки на этапах разработки и отладки и кучу других проблем, которые в данной статье рассматривать просто бессмысленно. Трудно. Долго. Но зато на выходе работает супер оперативно, без глюков и тормозов. Железно!
Теперь микроконтроллер. 20 ножек на прием информации — для большинства микроконтроллеров физически невозможная задача.
А вот 8 или 16 — да пожалуйста! 3 информационных — в легкую! Программа? По адресу 001 умножить первое пришедшее число на второе, по адресу 011 отсылай результат в терморегулятор. Все! Быстро. Легко. Не супер, но оперативно.
Если очень грамотно написать программу- без глюков и тормозов. Программно!
Железо и Программа! Вот главное отличие между ПЛИС и Микроконтроллером.
В микроконтроллере большинство замороченных, но часто используемых алгоритмов уже вшиты железо(в кристалл). Нужно лишь вызвать программным способом нужную библиотеку, в которой этот алгоритм хранится, назвать его по имени и он будет делать всю грязную работу за вас.
С одной стороны это удобно, требует меньшего количества знаний о внутреннем устройстве микросхемы. Микрик берет на себя заботу об отслеживании принятых, генерируемых и результирующих сигналов, об их складировании, обработке, задержке. Все делает сам. В большинстве микропрогерских задач это то, что нужно.
Но если безграмотно использовать все эти удобства, то возникает вероятность некорректной работы. Железо и Программа!
Заключение
Современные разработчики процессоров и микропроцессоров изначально разрабатывают свои устройства на ПЛИС.
Да-да, вы правильно догадываетесь: сначала они имитируют создаваемую архитектуру микроконтроллера с помощью разработки и прошивки программы на ПЛИС, а затем измеряют скорость выполнения алгоритмов при том или ином расположении имитируемых блоков МК и том или ином наборе функционала каждого блока отдельно.
https://www.youtube.com/watch?v=i9eSXEXfI4Y
По характеристикам выдаваемого сигнала, ПЛИС чаще всего рассчитана на 3,3В, 20мА, Микроконтроллер на 5В, 20мА.
Под микроконтроллер AVR, успешно внедренный в платформу Arduino, написано множество открытых программ, разработано великое множество примочек в виде датчиков, двигателей, мониторчиков, да всего, чего только душе угодно! Arduino в настоящее время больше похож на игровой конструктор для детей и взрослых. Однако не стоит забывать, что ядро этого конструктора управляет «умными домами», современной бытовой электроникой, техникой, автомобилями, самолетами, оружием и даже космическими аппаратами. Несомненно, такой конструктор будет являться одним из лучших подарков для любого представителя сильной половины человечества.
В принципе, все просто!
Остались вопросы? Напишите комментарий. Мы ответим и поможем разобраться =)
Источник: http://micro-proger.ru/2016/03/17/plis-fpga-i-mikrokontroller-v-chem-raznica/
FPGA майнинг – описание, особенности, актуальность
Говоря об этапах развития индустрии майнинга, следует обязательно вспомнить о таком явлении, как FPGA-майнинг. Именно о нём и пойдет речь в данном материале. Мы расскажем о его основных особенностях, отличиях от других способов и актуальности подобного подхода. Кроме того, нужно будет обсудить и возможность создания такого майнера своими руками.
Что такое майнинг на FPGA и как он работает
Аббревиатура FPGA с английского языка означает Field Programmable Gate Array. В русском языке это означает программируемая пользователем вентильная матрица. Такое устройство состоит из полупроводников и может быть сконфигурировано как производителем, так и пользователем в зависимости от его нужд.
FPGA (или ППВМ) считается одной из разновидностей ПЛИС (программируемых логических интегральных систем). Если говорить именно о применении их для майнинга, то используют и первый, и второй термины.
Если выражаться проще, то это простая микросхема с большим количеством логических блоков, которые соединены в одну цепь. Сконфигурировать блоки можно в любое время и настроить их для выполнения какой-либо базовой двоичной операции, например, and, or, xor, nand, nor.
Большинство процессоров сегодня имеют блоки с функциями, которые были запрограммированы на заводе и не могут быть изменены. Однако встречаются и решения, которые можно настраивать самостоятельно в зависимости от текущих задач.
Архитектура ФПГА состоит из трёх компонентов, которые могут быть запрограммированы:
- Программируемые логические блоки (ПЛБ) – используются для создания логики устройства. Каждый блок содержит таблицу LUT, четыре входа и триггер.
- Блоки ввода и вывода (БВВ)- используются, чтобы связать контакты с сигнальными линиями.
- Внутренние связи – занимаются управлением путей соединения блоков ввода и вывода с программируемыми логическими блоками.
Что касается применения данных плат в майнинге, то здесь самой большой проблемой, с которой столкнулись энтузиасты, стало повышенное энергопотребление, если сравнивать с другими вариантами применения FPGA.
Объясняется это постоянной нагрузкой на блоки логических вычислений, так как майнинг является действительно “прожорливой” вычислительной операцией.
Среднестатистическая плата не могла обеспечить достаточное охлаждение и электропитания в таком случае.
В связи с данными событиями производители организовали выпуск плат, которые содержали лишь минимально необходимый набор компонентов без лишних портов, оперативной памяти и прочих ненужных в данном случае деталей.
Это позволило обеспечить достаточное электропитание и приемлемый температурный режим. Стабильность работы таким образом была повышена и достаточно было использования обычных систем охлаждения из простейших вентиляторов.
А низкое энергопотребление дало возможность оставаться в плюсе даже при не самой лучшей ситуации на рынке, которая нередко возникает у тех или иных криптовалют.
Одним из таких примеров считается плата от компании Spartan. Она позволяла достичь производительности в 860 мегахешей на секунду при энергопотреблении в 39Вт и стоимости в 1000 долларов.
Канзасская компания BFL также имела опыт разработки подобных решений. Их плата достигала производительности в 830 мегахешей, но стоимость при этом составляла лишь 600 долларов.
Самой топовой разработкой была плата построенная на чипах Altera. Её мощность превышала 25 гигахешей, однако и стоимость составляла 15000 долларов. Такое устройство можно считать абсолютным рекордсменом и его производительности даже выше, чем у топовых АСИКов на сегодняшний день. Однако их стоимость также значительно ниже, а по соотношению ценыпроизводительности они явно выигрывают.
Актуальность FPGA майнинга
Эпоха майнинга на FPGA платах длилась недолго. Одной из главных причин стало начало производства АСИК-майнеров, которые выигрывали как по показателю энергоэффективности, так и по производительности.
Превосходство видеокарт заключается в перечисленных ниже параметрах:
- Стоимость устройств с равными показателями мощности на 30% ниже у видеокарт.
- Видеокарты легче сбыть на вторичном рынке, если сложность слишком возрастет. FPGA платы имеют лишь одно предназначение и не могут быть перепроданы.
- Производство видеокарт предполагает использование более современных процессов.
Энергоэффективность является единственным весомым преимуществом FPGA плат. Этот показатель существенно ниже, чем у GPU. Можно рассмотреть самые топовые на данный момент платы от компании Altera, при производстве которых был использован 14 и 22 нанометровый техпроцесс. Они могут похвастаться впечатляющей энергоэффективностью, но их стоимость слишком высока.
Другими передовыми компаниями, которые производят такие чипы, являются Actel, Atmel, Lattice semiconductor, Xilinx и другие.
Как сделать FPGA майнер своими руками
Многих пользователей интересовала возможность создания майнера вручную в домашних условиях. Особенно популярной эта идея стала после появления первых успешных примеров устройств для добычи криптовалюты на базе ФПГА.
На криптовалютных форумах можно найти обсуждения по этой теме и даже предложения от специалистов, которые предлагают помочь в создании подобных устройств за “дорого”. Следует понимать, что собрать FPGA майнер можно лишь при наличии хороших познаний в схемотехнике и программировании микроконтроллеров.
Такие майнеры могут быть собраны далеко не каждым, а сегодняшнее положение на рынке делает их невостребованными.
Так или иначе, на ресурсе “Хабр” можно найти статью, где автор подробно описывает свой опыт создания майнера для криптовалюты BlakeCoin. Примечательно, что материал датирован 2018 годом. Из текста следует, что подходящего программного обеспечения для таких задач в открытом доступе не так уж много и автору пришлось адаптировать под свои нужды исходники из интернета.
Запустить майнинг на ПЛИС Intel Cyclone V оказалось не такой уж простой задачей, на плате хватало места лишь для трёх хэшеров. При запуске устройства на частоте 120 МГц удалось достичь производительности в 360 MHs на секунду. Подъём частоты бы потребовал установки дополнительной системы охлаждения.
Следует отметить, что протестировать свой майнер разработчик не успел из-за резкого скачка сложности данной монеты.
Много вопросов также вызывает возможность FPGA майнинга для алгоритмов, которые предполагают наличие большого количества оперативной памяти. В частности многих интересует майнинг Эфира на FPGA.
В данный момент купить подобное устройство нельзя, но на форумах обсуждается возможность его создания своими руками. Однако разработчики Ethereum уже заявляли, что планируется переход сети на PoS, а значит майнинг эфира на ПЛИС не будет иметь смысла.
А если говорить о более сложных алгоритмах, например, о CryptoNight, то в данном случае также необходимо наличие кэш памяти процессора.
Преимущества и недостатки
ПреимуществаНедостатки|
1. Низкое энергопотребление. Одним из главных плюсов майнинга на FPGA являются невысокие показатели энергопотребления. Эти значения ниже, чем у ASIC майнеров, и существенно ниже, чем у видеокарт.
При этом энергопотребление у добытчиков криптовалюты всё равно выше, чем у ПЛИС, которые используются для других задач. Обсудить этот процесс можно либо на криптовалютных форумах, либо на на ресурсах об электротехнике. Иногда даже можно найти предложения от профессионалов, которые предлагают создание таких устройств за деньги. |
1. Высокая стоимость оборудования. Если сравнивать цену на ПЛИС майнеры с видеокартами той же мощности, то окажется, что приобретение последних намного выгодней. Асики, в конечном итоге, также имеют меньшую цену за единицу мощности.
С другой стороны, ПЛИС можно будет перенастроить под добычу другой криптовалюты, если выбранная в данный момент крипта станет невыгодной для вашей платы. Те платы, которые получили возможность сохранять нормальный температурный режим и обеспечить хорошее электропитание, стоят слишком дорого и не являются выгодным вложением. В то же время, платы, которые с этим не справляются, будут проблемными в использовании и их применение не рекомендуется. Именно из-за учёта соотношения цены и производительности такой майнинг потерял свою актуальность и уступил АСИКам. |
Заключение
Нужно сказать, что майнинг с помощью ППВМ – это интересный этап развития индустрии майнинга, который оказал существенное влияние на её будущее.
Конечно, на сегодняшний день использование этих плат уже не актуально из-за появления ASIC-майнеров. Стоимость GPU с сопоставимой производительностью также ниже.
Однако использование ППВМ по прежнему может привлечь энтузиастов или людей, которые просто хотят собрать майнер своими руками.
Источник: https://prostocoin.com/blog/fpga-mining
Загрузка...