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 :(

Verilog ile PID Kontrol

Verilog'da yazılmış ve doğrudan FPGA'de çalışan bir PID kontrol bloğu yaptım. Bir PID kontrol bloğunu çalıştırmak doğru çalışan bir programa ek olarak için P, I ve D katsayılarını doğru belirlemek gerekiyor. İnternette PID anlatan bir sürü belge var ama düzgün çalışan bir kat sayı seti bulamadım. Deneme yanılma ile ISE'de simulasyonda çalıştığı görülebilecek şekilde katsayıları belirledim. Normalde PID kontrol şeması aşağıdaki resimdeki gibi oluyor.


Benim durumumda dış elektronik hiç kullanmadığım için geri besleme FPGA'in içinden oluyor. Genel bir şey olmasını istediğim için de kontrol edilecek blok (resimde plant) "Çıkış=Giriş" olan bir blok.

Kullandığım PID denklemini http://www.atlantixeng.com/pdf-files/PID_Controller_in_FPGA.pdf adresindeki belgeden aldım.

Programın 8 bit girişi ve 8 bit çıkışı var. Program kodlarına buradan erişilebilir.

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.

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

Verilog Sunumu

Okulda bu dönem 3. sınıflara verilog sunumu yaptım. Slaytlarda çok yazı yok, sunumda anlattığım şeylerin özetini içeriyor. En azından biraz dijital elektronik, biraz da mantık tasarımı bilen ama verilog hakkında hiç bir şey bilmeyen birine nereden başlaması gerektiğini hakkında bilgi verebilir. Zaten anlattığım insanlar da ilk defa verilog gören kişilerdi. Sunum buradan indirilebilir.

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.

FPGA Referans Kitabı

Evde kullanmak üzere Amazon.com'dan FPGA kitabı sipariş ettim. Okuldaki kütüphanede de var ama hep bende dursun istedim. Kitabın adı: FPGA Prototyping by Verilog Examples: Xilinx Spartan-3 Version. Kapak görüntüsü:


Kitap hakkında daha ayrıntılı bilgi için http://www.amazon.com/gp/product/0470185325/. Ben altığımda 58$'dı.

Piyasada bir sürü Verilog ve FPGA kitabı arasından bunu seçmemin sebebi

• Kitap herhangi bir FPGA için değil, Spartan 3 göz önüne alınarak yazılmış. Kitapta bazı bölümler Xilinx FPGA'lere özgü. Örneğin son konu olan PicoBlazo mikroişlemci. PicoBlaze ile uğraşmak istediğimde çok işime yarayacak.
  
• Kitapta siparişini verdiğim Spartan 3E Starter Kit'le yapabileceğim VGA, PS2 fare ve klavye, RS232 ile ilgili bölümler var. Bu bölümlerde her bir devrenin nasıl yapılacağını anlatıyor. İleride bana yol gösterici olacaklar. Bazı temel modülleri de anlatıyor.
  
• Verilog için başvuru kitabı olacak nitelikte. Herhangi bir konuyu unuttuğumda açıp hatırlayacağım. İnternet var ama alıştığım bir kitapta bir konuyu bulmak daha kolay.
• Verilog anlatan benzer kitaplara göre daha ucuz. Verilog ve FPGA ile ilgili 70$'ın altında başka kitap yok.
  

Sahip olmaktan mutlu olacağım bir kitap.

Sık kullanılacak modüller

Kartım hala gelmedi. Kart gelene kadar kullanacağım garanti olan bazı modülleri yazayım dedim. Kartta kullanacağım garanti olan hangi modüller var?

• 7 bölmeli LED (Pmod kartım sayesinde 7 bölmeli displayim var)
  
• Düğmeler için zıplama önleyicisi (Debouncing circuit)
• LCD kontrol
• SDRAM kontrol

Kolaydan zora doğru sıraladım. SDRAM kontrol modülü yazmak çok zordur. Sürekli yenileme yapmak, okuma yazma protokolleri, gerekli zamanlama (timing) koşullarına dikkat etmek... Neyse ki Xilinx'in SDRAM için hazır kontrolörü var. http://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/opb_ddr.pdf adresinden kontrolörün dökümanına ulaşılabiliyor. Kendisini nasıl bulabiliriz, hiç ilgilenmedim ama ona da sıra gelecek.

Başlangıç olarak 7 bölmeli LED ve zıplama önleyici modülü yaptım. Basit modüller oldukları için ayrıntılı açıklama yapmıyorum.

7 bölmeli LED display modülüne 2 adet 4 bitlik data girişi var. Datada kaç varsa 16'lık düzende LED'lerde gösteriyor. Zaman çoğullamasını kendi yapıyor. Tabii bu yüzden clk lazım. Bir de reset pini olmalı ki modülü kapatabilelim.

Zıplama önleyicinin espirisi, tuşa basıldıktan belli bir süre geçene kadar kendini tuştan gelen sinyale kapaması. Sinyalde bir değişikli olduktan sonra 50 ms çıkışı sabit tutuyor. İnsan eli bir tuşa saniyede 20 defa basamayacağı için bir problem yok. Bekleme süresi 1 saniye olursa tuşa basıp hemen çekilince tuş 1 saniye basılı kalır. Tuşa basılı tutarken bırakıp geri basılırsa 1 saniye bırakılmış kalır. Bir de, asenkron bir giriş olduğu için sinyali bir flip floptan geçirerek kullanmak lazım. Yoksa kararlılık (stability) problemleri çıkabilir.

Kartım gelince ilk bu ikisini deneyeceğim :)

Dosyalar: sevensegment.v, debouncer.v

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.