Spartan 3E Kit Bozuk

Spartan 3E kitimin tamamen bozuk oldugunu anladim. Kartin derve semalarina baktigimda regulatorlerin yandigina karar vermistim. Harici bir guc kaynagi ile regulatorleri devre disi birakarak, karta regulatorlerin vermesi gereken voltajlari verdigimde FPGA'in kendisi cok akim cekiyor ve cok isiniyor. Bu durumda FPGA'in kendisinin bozulmus oldugunu anliyorum. Guzelim kart, bir defaligina yanlis adaptor bagladigim icin kullanilamaz oldu :(

Kart yandi !!!

Karti yaktim. Uzun sureden sonra veriloga geri donmek istedim. Yanlislikla ayni girisli fakat voltaj degeri farkli olan bir adaptoru bagladim. Aninda yandi kart. Iyi haber FPGA'e muhtemelen bir sey olmadi. Cok buyuk ihtimalle voltaj regulatorleri yandi. User manuel'de karta guc veren iki regulator oldugunu soyluyor. Biri Texas Instruments'in 1.2, 2,5 ve 3.3V ureten regulatoru, digeri Lineer Devices'in 2.4 V ureten regulatoru. User manuel sayfa 141'de regulatorlerin semalari var. Lineer'in regulatorunun yandigina eminim, Texas'in regulatorunun durumunu bilmiyorum. Iyi haber Lineer'in regulatoru sadece DRAM'i besliyor. Yani yanan sadece Lineer'in regulatoru ise onu sokup FPGA'i kullanmaya devam edebilirim, DRAM'i kullanmasamda olur. Eger Texas da yandiysa durum kotu. Ustelik Lineer'in paketi SOIC. Yani havya ile lehimlenebilir. Texas'in paketinde ise padler paketin altinda, havya ile lehimlemem imkansiza yakin. En kisa zamanda karti okuldaki laba goturup hangi entegrelerin yandigina bakacagim. Yanan entegreleri de www.tr.farnell.com adresinden getirtecegim. 100 avronun altindaki alimlarda 15 avro ek ucret odeniyor. 100 avroluk bir seyler almaya calisacagim.

Klavye Arayüzü - 1

Klavyeden basılan tuşun kodunu 7 bölmeli ledde gösteren bir program yazdım. Program klavyeden gelen veriyi doğrudan ledlerde gösteriyor.

Klavye veriyi SPI(Serial Peripheral Interface) ile gönderiyor. SPI'de bir clock bir de data hattı var. Clock'u da datayı da klavye sürüyor. O yüzden clockdaki kenarları bulmak FPGA'in işi. Klvaye veriyi paket halinde gönderiyor. Bir paket 11 bit. Paket biçimi 1 bit start biti ve hep 0 + 8 bit data + odd parity biti + stop bit. Data, clock'un negatif kenarında okunmalı. Datanın en düşük biti ilk yollanıyor. Aşağıdaki şekil PS2 klavyenin 1 paketi yollarkenki pin seviyelerini gösteriyor.

FPGA, ps2clockdaki negatif kenarları algılayıp, durum makinası ile ps2data'yı shift registera koyuyor. Sonra pariteyi kontrol edip, eğer hata yoksa ledlere veriyor ve data_ready bayrağını 1 yapıyor. Hata varsa ölü bir durumda kalıyor. FPGA'in tekrar çalışması için resetlemek gerekiyor. Ps2 klavyenin çalışma frekansı 10kHz - 16kHz arasında. Bu çok düşük çalışma frekansından dolayı 2 klavye pininin de filtrelenmesi gerekiyor.

Aşağıdaki şekilde klavye kodları var.
Bir tuşa basıldığında klavye o tuşun kodunu yolluyor. Eğer tuşa basılı tutulursa 0.1 saniye sonra tuşun kodunu sürekli yollamaya başlıyor. Tuş bırakılınca da F0 ve tuşun kodunu yolluyor. Yani 2 paket yolluyor. Program en son basılan tuşun kodunu gösterdiği için F0 gözükmüyor, onun yarine bırakılan tuşun kodu gözüküyor. Ama tuş bırakılınca ledlerin kısa bir süre yandığı görebiliyorum. Tuşa basılı tutulunca olan sürekli yollamalar da gözüküyor.

Bundna sonra klavye ile kartın üzerindeki LCD ekrana yazı yazabilecek programı yazmayı düşünüyorum.

Program kodları buradan indirilebilir.

Multi LED 2

Çevrim sürelerini LCD ekranda gösterme işini hallettim. İşte ekran görüntüsü
LCD erkanı PicoBlaze mikroişlemci kontrol ediyor. LCD ekranın kontrolü, mirkoişlemci ile durum makinasıdan daha kolay oluyor. PicoBlaze'ı kullanmak için 2 şey gerekli. mikroişlemci kaynak dosyası ve program dosyası. Program kodu, FPGA'deki blok RAM'e hex olarak yazılıyor. Kodu hex'e çevirmek için başka bir program kullanılıyor, ISE bu işi yapamıyor. Gerekli olan her şey zip dosyasında var.

PicoBlaze kodundaki LCD fonksiyonlarını kart geldiğinde içinde yüklü olan programdan aldım. Bu program www.xilinx.com/products/boards/s3estarter/reference_designs.htm adresinden indirilebilir.

LCD ekranda niye olduğunu anlamadığım bir şey var. PicoBlaze'de LCD çıkış port_id'sini 40 kullandığımda harfler düzgün gözükürken 00 tanımladığımda bazı harflerin üstüne istemediğim şeyler yazılmış oluyor. Bunun sebebi belki 01, 02, 03 ve 04 port_id'lerindeki giriş pinleri ile çakışma olabilir ama bana saçma geliyor. LCD pinlerine osiloskopla bakmak gerekir.

Program kodlarına buradan ulaşılabilir.

Multi LED

3 renkli multi led aldım. RGB led de deniyor. Multi ledin kırmızı, yeşil, mavi ledlerini farklı şiddetlerde yakarak farklı renkler oluşturmak mümkün. Örneğin kırmızı ve mavi en şiddetli hallerinde mor ışık yayıyor. FPGA'de bu şiddeti ayarlamanın en iyi yolu PWM kullanmak. PWM olarak kullanılacak kare dalganın görev çevrimini değiştirerek ledlere analog gibi davranan bir sinyal vermek mümkün.

Şu an giriştiğim projenin amacı multi leddeki 3 rengin şiddetlerini ayrı ayrı kontrol eden ve 3 rengin PWM sinyallerinin görev çevrimini LCD ekrana yazan bir modül yapmak. Kendime belirlediğim ilk aşama pwm sinyalini üretmek ve görev çevrimini dışarıdan değiştirmek. İkinci aşama da 3 renk için görev çevrim sürelerini LCD ekranda göstermek.

0-255 arası sayabilen bir sayaç ve her renk için bir register var. Sayaç registerdan küçükken o renk sinyali 1 oluyor. Register değerini 0'a yaklaştırınca sayaç daha kısa bir süre register değerinden küçük kalıyor. Bu sayede görev çevrimi ayarlanabiliyor. Aynı işi 3 renk için de yapıyorum.

Registerları döner kodlayıcı ile değiştiriyorum. Bir düğme ile de seçili rengi değiştiriyorum. Seçili rengin değeri 7 bölmeli ledde gösteriliyor. Hangi rengin seçili olduğu ise kartın üzerindeki ledlerde gösteriliyor.

Devrenin bir kaç görüntüsü
Multi ledin içindeki ledler seçilemesin diye ledin çevresine peçete sardım. Bu sayede multi ledin içindeki farklı renkteki ledleri ayırt edemiyorum. Karşılaştığım bir sorun, ledler aynı akıma farklı ışıma verdikleri için her renk için akım sınırlayıcı dirençleri farklı seçmek gerekiyor. Yoksa farklı parlaklıkta yanan ledler oluyorlar. Bunu ölçmenin yolu 3 rengi de son şiddette yakmak. Sonuç tam beyaz olmalı.

Bundan sonra LCD ekranda değerleri göstermek var. Bunun için PicoBlaze kullanmayı düşünüyorum.

Program koduna buradan ulaşılabilir.

Döner Kodlayıcı

Döner kodlayıcı modülünü bitirdim ve önceden yaptığım ileri geri sayan programa ekledim. Program döner kodlayıcı saat yönüne döndükçe ileri, ters yöne döndükçe geri sayıyor.

Döner kodlayıcı modülünü önce kendi bildiğim gibi yapmak istedim. Zıplamaları filtrelemek için 2 tane zıplama önleyici modülü kullanmak istemedim çünkü çok verimsiz bir yol. 2 tane 22 bit register kullanılacak. Onun yerine kendim durum makinası yaptım. Bu şekilde yaptığım modül doğru çalışıyor. Fakat tüm zıplamaları filtrelemek için 9 durum tanımlamak zorunda kaldım. Xilinx'in kendi referans tasarımını düşününce yine çok. O yüzden Xilinx'in referans tasarımını kullanmaya karar verdim. İki tasarım da program kodlarında var.

Döner kodlayıcı modülünü Xilinx'in referans tasarımını biraz değiştirerek yaptım. Referans tasarımına http://www.xilinx.com/products/boards/s3estarter/files/s3esk_rotary_encoder_interface.pdf adresinden ulaşılabilir. Referans tasarımında dönme olduğunu gösteren ve dönmenin yönünü gösteren 2 çıkış var. Ben bunları saat yönünde dönme olduğunu ve saat yönünün tersinde dönme olduğunu göstercek şekilde değiştirdim. Ayrıca modülün iç kısımlarını da kısalttım. Şimdi daha şık duruyor.

Xilinx'in referansında bir hata var. Döner kodlayıcının anahtarları normal durumda devre şemasına göre 1 konumunda (pull-up direncinden dolayı) ama osiloskop ekran görüntüsü 0 olduklarını gösteriyor. Doğru olan şemada gösterilen şekil. Karttaki LED'lerden iki tanesi anahtarların durumunu gösteriyor, normal durumda ikisi de 1. Modül girişleri senkron yaparken bu durumu da düzeltiyor, girişlerin tersini alıyor.

Karttaki LED'lerden iki tanesi döner kodlayıcıdaki iki anahtarın durumlarını gösteriyor. Şaftı çevirirken anahtarların durumlarının değiştiğini gözlemleyebiliyorum. Gerçekten eğlenceli.

Çevre birimleri arasından bir tek LCD ekran kaldı. LDC ekranın modülünü de yaptıktan sonra kendi tasarımlarımı yapmaya başlayabilirim.

Döner kodlayıcı modülüne buradan ulaşılabilir.
Verimsiz döner kodlayıcı modülüne buradan ulaşılabilir.
Program kodlarına buradan ulaşılabilir.

Booth - Wallace ve Shift - Add Multiplier

Aldığım dijital VLSI tasarım dersinin projesi olarak 2 farklı çarpma devresi yaptım. Amaç bunları karşılaştırmak ama ben o kısmı geçiyorum. Bu iki devreden booth-wallace çarpma devresi kombinasyonel çarpma yapıyor. Yani clocka ihtiyacı yok, içinde DFF yok. Ama bu yüzden çok sayıda kapıdan oluşuyor. FPGA'in çok kaynağını tüketecektir.

Asıl anlatmak istediğim shift-add çarpma devresi. Bunun hoşuma giden yanı algoritmik akış şemasından (ASM - Algoirthmic Flow Chart) yola çıkarak kodu yazmış olmam. Internette pek çok yerde ve pek çok dijital tasarım kitabında bu ASM bulunabilir. Ben kullanımını rahatlatmak için küçük bir değişiklik yaptım. İşte ASM akış şeması

Normalde shift-add çarpma devresi 3 durumlu. En sona END durumunu ekledim. Start bitini 1'de unutunca çarpmaya devam etmesin. Çünkü çarpmaya başladı mı arada durdurulmuyor. Durum değişkeni için 2 bit kullanıldığı için 4. durumu oluşturmak donanım olarak da yük getirmiyor.

Esas modülde 3 always bloğu var. Biri sonraki durumu şimdiki durum yapan tek satırlık blok. Diğeri next_state için; bir sonraki duruma karar veren blok. Sonuncusu ise aritmetik işlemleri yapan blok. Always bloklarını bu şekilde ayırmak kodun yazılabilirliğini ve okunabilirliğini çok arttırıyor. Bu programlama tekniği aldığım verilog kitabında kullanılıyor.

En tepedeki modülü, çarpma modülünü kullanabilmek için yazdım. Spartan 3E Starter Kit'teki anahtar ve düğmelere göre sayı girme yöntemi belirledim. Karttaki 4 anahtar, 4 bitlik bir sayıyı gösteriyor. Batı düğmesi giriş tuşu. Ona basınca anahtarlardaki 4 bit sayı girilmiş oluyor ve 8 ledin ilk 4ü bu sayıyı gösteriyor. Aynı işlemi bu defa 2. sayı için yapıyorum. Bu sayede 2 tane 4 bitlik sayı girmiş oluyorum. Güney düğmesi çarpma modülünün "start" girişi. Ona basınca da 2 sayının çarpımı 7 segment ledlerde gözüküyor.

Shift-Add multiplier kodları buradan indirilebilir.

Booth-Wallace kodları buradan indirilebilir. Booth-Wallace çarpma modülünü karta uygun hale getirmeye uğraşmadım. Sadece algoritma hali var.

Booth-Wallace algoritması hakkında kaynak
http://www.eecs.tufts.edu/~ryun01/vlsi/index.htm

Kart Geldi

Sonunda kartım geldi. 26 Mayıs salı günü elime ulaştı. Buraya yazabilmek için anca vakit bulabildim. Kartı Xilinx'in Türkiye distribütörü Empa Elektronik'ten aldım. Fiyatı 190$+KDV. KDV dahil 350 YTL etti. Sipariş formunu imzaladıktan sonra 4 buçuk haftada elime geçti kart.

Kit kutu içinde geldi. Güzel bir kutusu var.

İşte kartın fotoğrafı

Kartın 1.5 m'den uzun USB kablosu var ama adaptör kablosu 1 m'den kısa. Prizlerin, USB girişlerine göre daha zor ulaşılabilir yerlerde olduğunu düşününce adaptör kablosu çok kısa. Kartı masaya koyduğumda; priz, yerde kartın tam altında değilse adaptör kablosu yetmiyor. Bu yüzden uzatma kablosunu bilgisayar kasasının üstüne koymak zorunda kaldım.

Korktuğum hirose konektörü. Korktuğum kadar varmış. Bu konnektörden hayatta bağlantı alamazdım. İyi ki eklenti kartını almışım.

Eklenti kartı ve 7 segment display ile görüntüsü. 7 segment, hirose konnektörün altındaki sokete de takılabiliyor ama hirose kartı takılı değil iken.

Kitin içinde iki tane referans kitabı çıktı:

• Introduction to Programmable Logic
• EDK Concepts, Tools and Techniques

Introduction to Programmable Logic kitabında, Xilinx FPGA ve CLPD'leri ve Webpack programını anlatıyor. Spartan serisi için en son Spartan 2E'lerden bahsediyor. Webpack'in de 6 sürümü üzerinden anlatıyor. Kitabın güncellemeye ihtiyacı var.

İkinci kitapta Embedded Design Kit'ini anlatıyor. EDK hakkında çok bilgim olmadığı için bu kitap hakkında pek yorum yapamayacağım.

Aldığım kitin kullanıcı rehberinin çıkmaması hoş değil. Bunu kendim kitap haline getireceğim artık.

Kitten 3 cd çıktı.

• Spartan 3 Customer Resource CD
  
• Xilinx 9.2i Design Tools Evaluation DVD
  
• Embedded Development Kit DVD ve ISE 9.2i DVD
  

ISE'nin 11 sürümü çıkmışken kitin içinden 9.2 sürümü çıkıyor. Üstelik 2 tane. Hoş değil.

Spartan 3 Customer Resource CD'sinde bir sürü pdf var. İnanıyorum ki hepsini Xilinx'in sitesinden indirebilirim.

Design Tools Evaluation DVD'sinde ISE, webpack Chip scope gibi programlar var. Ama hepsi 9.2 sürümü. Şu sıralar işime yarayacak sadece webpack. Onunda 10.1 sürümünü kullanıyorum. Şu an işime yaramaz bir cd.

EDK DVD'sinde, ne olduğunu yeni yeni öğrenmeye başladığım gömülü tasarımdan bahsediyor.

Kitten çıkanlar hakkında bu kadar.

Kartın her tarafı açıkta olduğu için ESD tehlikesi var. Bunun için aklıma gelen ilk şey adaptör toprağına bir kablo bağlayıp ara sıra bu kabloya dokunmak. Şimdilik böyle idare edeceğim. Belki ileride ESD korumalı masa örtülerinden alırım.

Kartı çalıştırdığımda, kart üzerindeki flash bellekte saklanan program yükleniyor. Bu program test programı. LED'leri, döner kodlayıcıyı , tuşları ve LDC ekranı test ediyor. Bende hepsi düzgün çalışıyor. Bu program http://www.xilinx.com/products/boards/s3estarter/files/s3esk_startup.zip adresinden indirilebilir. Benim için kötü yanı vhdl ile yazılmış olması.

Kartla ilk yapmak istediğim 7 segment ile zıplama önleyiciyi denemek. Bunun için programı yazmaya başladım. Her şey bittiğinde buraya yazacağım.

Spartan 3E Starter Kit Eklenti Kartları

Bu kartı almayı ciddi olarak düşünürken kartın I/O pinleri için olan genişleme konektörü ile ne yapacağımı düşünüyordum. Kartın kullanabileceğim 48 I/O’sundan 40’ı abuk Hirose FX-2 konektörde. Geri kalan 8 tanesi bana yetmez. Hirose FX-2’den kablo yardımıyla bağlantı almam mümkün değil. O yüzden bu konektörü kullanılabilir yapmaya karar verdim.

İnternetten konektör ile ilgili arama yaparken Digilent isimli bir firmanın sitesini buldum. Xilinx kartının üzerinde de Digilent yazıyor ama ben onları Texas Instruments, Micron, Intel, Linear gibi parça sağlayıcısı olduğunu düşünmüştüm (TI, güç kaynağını; Micron, SDRAM’i; Intel, flash RAM’i; Linear de ADC ve DAC’ı üretiyor). Meğersem adamlar kartın tasarımını yapmışlar.

Digilent’in sitesinde (http://www.digilentinc.com) tam benim ilacım olacak şeyler var. Ben de gümrüğe takılmasın diye 100$’ı geçmeyecek şekilde bir şeyler almaya karar verdim. (Sonradan öğrendim ki bu sınır, kargo ücreti dahil 100€’ymuş). Kargomu USPS (United States Postal Service) ile gönderdiler. 10 günde bana ulaştı. Kargo ücreti 43$. Kargomu Amerika dışında takip edemedim. Kargo elime ulaştığında, internette hala kargo San Francisco’dan ayrıldı gözüküyordu.

Gelelim neler aldığıma. Aldığım en önemli şey FX2 Module Interface Board. Bu kart sayesinde I/O’lara sıradan bir kablo ile ulaşabileceğim. Kartın fotoğrafı
Bu kartın esas amacı Pmod kartları için yer yaratmak. Pmod (Peripheral Modules), Digilent’in ürettiği envai çeşit eklenti kartları. Yine de benim işimi görür. Sonradan düşündüğümde FX2 Wirewrap alsaydım keşke dedim. Wirewrap üzerine kendi breadboard’umu yapıştırabilirdim. Neyse çok da önemli değil.

İkinci önemli kart 7 segment display. Xilinx kartında olmaması eksiklik zaten. 2 basamaklı, zaman çoklama (time multiplexing) kullanan basit bir kart. Program debug için LCD’den daha pratik bir çözüm. Kartın fotoğrafı

Xilinx kartı üzerindeki ADC ve DAC’a kolayca ulaşabilmek için 6 pinlik kablo aldım. Bu sayede ADC ve DAC pinlerine kendi breadboard’umdan erişebileceğim. Kablonun fotoğrafı

Tel kablo aldım! Amerika’dan tel kablo getirtmek ne kadar mantıklı olabilir? Ama kullanımı çok pratik. Adamlar breadboarda uygun olacak şekilde boylarını ayarlayıp uçlarını sıyırıp bir de bükmüşler. Kutusuyla birlikte geliyor, dağınıklık da olmuyor. Çok beğendiğimden 3 tane aldım. Belki Türkiye’de de satan vardır. Kutunun fotoğrafı
Breadboarda takılınca
Kutuda daha uzun kablolar da var tabii.

6 pinlik cinsiyet değiştirici (gender changer) aldım. Yukarıda aldığım kabloya uygun. ADC ve DAC için kullanacağım kabloyu breadboard’a takmak için lazım.

Bu aksesuarlar, Xilinx kartı ile bağlantı olayını epey kolaylaştıracaklar.

Spartan 3E Starter Kit Ön İnceleme

Merhaba.
Bir kaç ay önce evimde FPGA (Field Programmable Gate Array) işine girişmeye karar verdim. Bunun için internetten Xilinx'in başlangıç ve geliştirme kartlarına baktım. Sonunda Spartan 3E Starter Kit'in benim için en uygun kart olduğuna karar verdim. Bu kartı seçmemdeki sebepler

• Xilinx FPGA kullanması. Altera kullanmak istemiyorum çünkü Xilinx daha yaygın. İşimde de Xilinx kullanılıyor.
• Xilinx Türkiye Distribütöründen sipariş edilebiliyor. Kartın fiyatı 150$ olduğu için yurtdışından getirtmek istediğinizde büyük ihtimalle gümrüğe takılacak.
  
• Xilinx'in doğrudan desteklediği bir kart olması. Bu sayede herhangi bir 3. parti programına ihtiyaç duymuyor. Bir tek ISE yeterli. Bu sayede bu 3. parti programlarını öğrenmekle vakit harcamıyorsunuz. Sadece FPGA'in kendisi ve ISE ile ilgileniyorsunuz.
  
• Giriş çıkış portları çok. VGA, RS232 (voltaj ayarlama dervesi ile), PS/2, eternet (arayüz çipi ile). VGA'ya monitör bağlayabilir, PS/2'ye fare klavye bağlayabilir, RS232 ile bilgisayarla konuşabilirsiniz. Ethernet ile bilgisayar iletişiminin çok zor olduğunu okumuştum ama emin değilim.
  
• Çevre birimleri çok. LCD ekran, 4 çıkışlı DAC, 2 girişli ADC, döner kodlayıcı (rotary encoder), 128 Mbit Flash bellek, 64 Mbyte SDRAM, EEPROM, toplam 48 pinlik genişleme portları, 4 buton, 8 LED. LCD ekran çok iyi debug imkanı veriyor. ADC ve DAC ile analog dervelerle uğraşabiliyorsunuz, herhangi analog sensorü okuyabilir veya aktuatörü sürebilirsiniz. Her çeşit bellek var. 48 pinlik genişleme yuvası da yeterli.
  
• Kartta bir tane de CPLD (Complex Programmable Logic Device) var. Bu da FPGA gibi programlanabilen ama iç yapısı biraz farklı, içindeki bilgiler güç kesildiğinde kaybolmayan, nispeten daha küçük boyutta bir çip. CPLD'nin olması kartla yapabileceklerinizi oldukça arttırıyor.

Xilinx'in Spartan 3 ve Spartan 3A için de başlangıç kartları var ama fiyat/performans oranları daha düşük kanımca.

İşte Spartan 3E Starter Kit'in görünümü
Kart hakkında daha ayrıntılı bilgilere http://www.xilinx.com/products/devkits/HW-SPAR3E-SK-US-G.htm adresinden ulaşılabilir.

Kartın en problemli kısmı genişleme yuvaları. Çok abuk bir konektör kullanılmış: Hirose FX-2 100p. Hiç de evrensel bir konektör değil, sadece bu kartta kullanılıyor. Neyseki bu konektöre uygun genişleme kartları satılıyor.