Учимся программировать под FPGA на SystemVerilog

17 июля 2017

ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема) — это интегральная схема, предназначенная для построения цифровых цепей из описания на специальном языке программирования. Другими словами, ПЛИС представляет собой чип, как бы содержащий в себе кучу элементов наподобие 74HCxx. Какие именно это будут логические элементы, какие между ними будут связи, и какие связи будет иметь получившаяся схема с внешним миром, определяется на этапе программирования ПЛИС.

Примечание: Насколько я смог выяснить, в русском языке на сегодняшний день термины ПЛИС и FPGA (Field-Programmable Gate Array, Программируемая Пользователем Вентильная Матрица), принято считать взаимозаменяемыми, что будет использовано далее по тексту. Однако стоит знать о существовании и альтернативной точки зрения, согласно которой FPGA (ППВМ) является одной из разновидностей ПЛИС (PLD, Programmable Logic Device).

Основные сведения об FPGA

Для программирования FPGA используются языки описания аппаратуры (HDL, Hardware Description Language). Среди них наибольшей популярностью пользуются Verilog (и его диалекты, в частности SystemVerilog), а также VHDL. Языки во многом похожи, но имеют разный синтаксис и различаются в некоторых деталях. Если Verilog — это такой C мира описания аппаратуры, то VHDL — соответственно, Pascal. Насколько мне известно, VHDL несколько менее популярен, в частности, из-за его многословности по сравнению с Verilog. Из преимуществ VHDL (или недостатков, кому как) можно назвать строгую статическую типизацию. Verilog же иногда допускает неявное приведение типов. Если продолжать аналогию с C и Pascal, языки различаются не настолько сильно, чтобы не выучить их оба.

На данный момент лидирующими производителями FPGA являются компании Altera (сейчас принадлежит Intel) и Xilinx. По информации из разных источников, вместе они контролируют не менее 80% рынка. Из других игроков стоит отметить Actel (купена Microsemi), Lattice Semiconductor, Quicklogic и SiliconBlue. С железом от Xilinx можно работать только из среды разработки от Xilinx (называется Vivado), а среда разработки от Altra (называетя Quartus) понимает только железо от Altera. То есть, полный вендор лок, и выбирая конкретную FPGA для своего проекта, вы автоматически выбираете и инструменты разработки соответствующего производителя, их техническую поддержку, документацию, условия лицензирования софта, политику касаемо прекращения поддержки железа, и так далее.

FPGA часто используются в задачах, где некие вычисления хочется существенно ускорить, реализовав их прямо в железе. Например, FPGA нашли широкое применение в области обработки сигналов, скажем, в осциллографах и Software Defined Radio. В частности, в LimeSDR используется Altera Cyclone IV, а в осциллографе Rigol DS1054Z стоит Xilinx Spartan-6, а также ProASIC 3 от компании Actel. Еще из применений, о которых я слышал, могу назвать компьютерное зрение, распознавание речи и биоинформатику. Есть и другие проекты, в частности по разработке СУБД, работающих на FPGA [PDF]. Но, насколько мне известно, это направление все еще остается сильно экспериментальным.

Xilinx или Altera?

Как говорится, лучший Linux тот, который использует ваш знакомый гуру по Linux.

Мой знакомый гуру по FPGA в лице Дмитрия Олексюка посоветовал начать с девборды Arty Artix-7 от компании Digilent. Используемой в ней FPGA является Artix-7 от Xilinx. Сам Digilent не производит доставку в Россию, но устройство доступно и на AliExpress, хотя и с заметной наценкой (официальная цена составляет 99$). Также его продают на eBay. Это довольно мощная плата, которая, тем не менее, стоит вполне адекватных денег.

Fun fact! Если вам просто хочется попрограммировать на Verilog или VHDL, строго говоря, покупать какую-либо плату с FPGA не требуется. Первое время можно ограничиться симулятором, работа с которым будет рассмотрена далее.

Arty Artix-7, девборда с FPGA

Из интересных особенностей платы можно назвать расположение гнезд совместимым с Arduino-шилдами способом. Также в комплекте с платой идет вкладыш, по которому можно получить лицензию на Vivado, открывающую все его возможности. Лицензия действует один год с момента активации, а также привязана к одному компьютеру по типу ОС и MAC-адресу.

По доставке. Я слышал, что устройства с FPGA на борту имеют большие шансы не пройти таможню. Магазин на AliExpress, ссылку на который я привел выше, доставляет платы в Россию через курьерскую службу СПСР. Для прохождения таможни потребовалось заполнить онлайн-форму с паспортными данными (только данные, без фото) и контактным телефоном, как этого требует текущее российское законодательство. После этого плата была доставлена курьером прямо до двери без каких-либо вопросов.

Установка Vivado

Среда разработки Vivado доступна для скачивания на сайте Xilinx. Будьте морально готовы к тому, что перед скачиванием вам придется пройти регистрацию и заполнить довольно подробную форму о себе. Скачиваем архив под названием «Vivado HLx 2017.2: All OS installer Single-File Download». Не перепутайте случайно с каким-нибудь «Vivado Lab Solutions», это совершенно не то, что нужно. Архив весит более 20 Гб, поэтому запасаемся терпением.

Распаковываем архив, запускаем инсталлятор. Ставим Vivado HL System Edition. Полная его версия займет на диске 47 Гб. Лично я снял галочку напротив Software Development Kit и оставил поддержку только 7 Series устройств, что уменьшило размер до 12 Гб. Забегая немного вперед отмечу, что такой конфигурации оказалось вполне достаточно.

Перед запуском Vivado нужно добавить в него поддержку Arty Artix-7, так как из коробки он ничего об этой плате не знает. Делается это как-то так:

cd ~/opt/xilinx/Vivado/2017.2/data/boards/board_files
wget https://github.com/Digilent/vivado-boards/archive/master.zip
unzip master.zip
mv vivado-boards-master/new/board_files/* ./
rm -r vivado-boards-master
rm master.zip

Также скачиваем отсюда и сохраняем куда-нибудь файл Arty_Master.xdc. Он понадобится нам далее. Файл содержит описание находящихся на плате светодиодов, переключателей и так далее. Без него поморгать светодиодами на Verilog будет непросто.

Первый проект на SystemVerilog

В Vivado говорим File → New Project… В качестве типа проекта выбираем RTL Project, ставим галочку Do not specify sources at this time. В диалоге выбора типа платы находим в списке Arty.

Первым делом добавляем к проекту скачанный ранее XDC файл. Копируем его в каталог с проектом. Затем говорим File → Add Sources… → Add or create constraints → Add Files, находим копию файла, жмем Finish. В дереве файлов проекта (Sources) в группе Constraints появится файл Arty_Master.xdc, или как вы там назвали копию. Открываем его и раскомментируем все строчки в группах Clock signal, Switches и LEDs.

Далее говорим File → Add Sources… → Add or create design sources → Create File. В типе файла выбираем SystemVerilog, в имени файла вводим что-нибудь вроде hello. Говорим Finish. Далее появится диалог Define Module, который предложит накликать интерфейс модуля. Диалог довольно бесполезный, потому что то же самое удобнее сделать прямо в коде, так что жмем Cancel.

В дереве исходников находим новый файл hello.sv, он будет в группе Design Sources. Открываем и пишем следующий код:

`timescale 1ns / 1ps

module hello(
    input logic CLK100MHZ,
    input logic [3:0] sw,
    output logic [3:0] led
);

always @(posedge CLK100MHZ)
begin
    if(sw[0] == 0)
    begin
        led <= 4'b0001;
    end
    else
    begin
        led <= 4'b0000;
    end
end

endmodule

Если все было сделано правильно, на этом этапе Vivado у вас будет выглядеть как-то так (кликабельно, PNG, 71 Кб):

Vivado, среда разработки под FPGA от Xilinx

Компиляция программы осуществляется в два этапа — синтез (synthesis) и имплементация (implementation). На этапе синтеза программа транслируется в абстрактную цепь из логических вентилей и прочих элементов. На этапе имплементации принимается решение о том, как прошить эту цепь в конкретную железку.

Запустим синтез, сказав Flow → Run Synthesis, или просто нажав F11. В правом верхнем углу вы увидите индикацию того, что процесс идет. Он может занимать довольно много времени, в зависимости от вашего компьютера и сложности программы. На моем ноутбуке синтез приведенной выше программы выполнился где-то секунд за 10. Если теперь сказать Flow → Open Synthesized Design, то можно увидеть красивую картинку вроде такой:

Схема цепи, полученная после этапа синтеза

Настало время прошить нашу плату. Говорим Flow → Run Imlementation, затем Flow → Generate Bitstream. Подключаем плату к компьютеру по USB, в Vivado говорим Flow → Open Hardware Manager → Open target → Auto Connect → Program device. Потребуется указать путь к bit-файлу. У меня он был следующим:

./first-project.runs/impl_1/hello.bit

Говорим Program. Теперь на плате горит светодиод LD4, если переключатель SW0 опущен (см приведенную выше фотографию платы). Если же переключатель поднят, светодиод не горит. Простенько, конечно, но это же «hello, world», чего вы ожидали? :)

Симуляция

Симуляция — это виртуальное выполнение кода на Verilog или VHDL прямо на вашем компьютере, безо всяких там ПЛИС’ов. Это одновременно и отладочный инструмент, и своего рода фреймворк для покрытия кода тестами.

При знакомстве с симуляцией первое, что я обнаружил, было то, что она у меня не работает. В логах было просто:

ERROR: [XSIM 43-3409] Failed to compile generated C file [...]xsim_1.c.

Google по этой ошибке находил только всякую ерунду в стиле «попробуйте отключить антивирус». В итоге решить проблему помогло добавление флага -v 2 в скрипт ~/opt/xilinx/Vivado/2017.2/bin/xelab. С его помощью я выяснил, что Clang, бинарник которого Vivado таскает за собой, падает со следующей ошибкой:

/a/long/path/to/clang: error while loading shared libraries:
  libncurses.so.5: cannot open shared object file: No such file or
  directory

А эта ошибка и ее решение уже описаны на Arch Wiki. Лично я просто скопировал уже существующий файл из каталога Vivado_HLS:

cp ~/opt/xilinx/Vivado_HLS/2017.2/lnx64/tools/gdb_v7_2/libncurses.so.5 \
  ~/opt/xilinx/Vivado/2017.2/lib/lnx64.o/libncurses.so.5

… после чего все заработало. Итак, а теперь, собственно, пример симуляции.

По аналогии с тем, как ранее мы создавали hello.sv, создаем новый файл hello_sim.sv в группе Simulation Sources. В файле пишем следующий код:

`timescale 1ns / 1ps

module hello_sim();
    logic clck_t;
    logic [3:0] sw_t;
    logic [3:0] led_t;

    hello hello_t(clck_t, sw_t, led_t);

    initial begin
        clck_t <= 0;
        sw_t <= 4'b0000; #1; clck_t <= 1; #1; clck_t <= 0; #1;
        assert(led_t === 4'b0001);
       
        sw_t <= 4'b0001; #1; clck_t <= 1; #1; clck_t <= 0; #1;
        assert(led_t === 4'b0000);
    end

endmodule

В дереве исходников делаем правый клик по файлу, выбираем Source Node Properties. В секции Used In снимаем галочки Synthesis и Implementation. Мы же не хотим, чтобы какие-то там тесты засоряли нашу далеко не резиновую FPGA?

Теперь говорим Flow → Run Simulation → Run Behavioral Simulation. В итоге вы увидите что-то примерно такого плана:

Симуляция в Vivado

Можно видеть, что когда sw[0] равен нулю, led[0] равен единице, и наоборот. При этом все изменения происходят по фронту тактового сигнала. Похоже, что программа работает корректно. Ну и на ассертах ничего не свалилось, что как бы намекает.

Заключение

Архив с описанным выше проектом можно скачать здесь. В качестве дополнительных источников информации я бы рекомендовал следующие:

  • Если вас интересуют подробности по железу, обратите внимание на даташит Artix-7 [PDF], reference manual к Arty Artix-7 [PDF], а также схему платы [PDF];
  • Книга Цифровая схемотехника и архитектура компьютера (Digital Design and Computer Architecture) — прекрасная книга, в которой, помимо прочего, подробно объясняются языки SystemVerilog и VHDL, а также внутреннее устройство FPGA;
  • Programming FPGAs: Getting Started with Verilog — еще одна неплохая с виду и сравнительно новая (2016 год) книга. Пока я ее только полистал, прочитать не успел;
  • OpenCores.org — каталог всевозможных открытых проектов под FPGA. Для скачивания исходного кода требуется регистрация. Активация аккаунта производится модераторами вручную, поэтому может занимать несколько дней;

А пишите ли вы под FPGA? Если да, то на каком языке и какого производителя предпочитаете?

Дополнение: Также вас могут заинтересовать статьи Головоломка с логическими вентилями и решение на HDL и Знакомимся с iCEstick и полностью открытым ПО для разработки под FPGA.

Метки: , .

Подпишись через RSS, E-Mail, Google+, Facebook, Vk или Twitter!

Понравился пост? Поделись с другими: