FPGA + mikroprocesorové jádro:

Podobné dokumenty
Programovatelná logika

SYSTÉMY NAČIPU MI-SOC

MODERNÍ TRENDY V PROGRAMOVATELNÉ LOGICE, APLIKACE V AUTOMATIZAČNÍ A MĚŘICÍ TECHNICE

Profilová část maturitní zkoušky 2014/2015

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

Návrh. číslicových obvodů

PROGRAMOVATELNÉ LOGICKÉ OBVODY

Metody návrhu systémů na bázi FPGA

Náplň přednášky 1. Vestavěný systém Výrobci technických řešení Mikrokontroléry ARM NXP Kinetis KL25Z Rapid prototyping Laboratorní vývojová platforma

Integrované obvody. Obvody malé, střední a velké integrace Programovatelné obvody

Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC

FVZ K13138-TACR-V004-G-TRIGGER_BOX

AGP - Accelerated Graphics Port

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Přednáška A3B38MMP. Bloky mikropočítače vestavné aplikace, dohlížecí obvody. 2015, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha J. Fischer

Integrované obvody. Obvody malé, střední a velké integrace Programovatelné obvody

architektura mostů severní / jižní most (angl. north / south bridge) 1. Čipové sady s architekturou severního / jižního mostu

Z{kladní struktura počítače

FPGA intimně. Marek Vašut March 6, 2016

Mikrokontroléry. Doplňující text pro POS K. D. 2001

Architektura procesoru ARM

2.8 Procesory. Střední průmyslová škola strojnická Vsetín. Ing. Martin Baričák. Název šablony Název DUMu. Předmět Druh učebního materiálu

Činnost CPU. IMTEE Přednáška č. 2. Několik úrovní abstrakce od obvodů CPU: Hodinový cyklus fáze strojový cyklus instrukční cyklus

PROCESOR. Typy procesorů

Zpracování obrazu v FPGA. Leoš Maršálek ATEsystem s.r.o.

Přednášky o výpočetní technice. Hardware teoreticky. Adam Dominec 2010

Pohled do nitra mikroprocesoru Josef Horálek

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

VÝUKOVÝ MATERIÁL. 3. ročník učebního oboru Elektrikář Přílohy. bez příloh. Identifikační údaje školy

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ DIPLOMOVÁ PRÁCE

G R A F I C K É K A R T Y

Hardwarové zpracování obrazu

Organizace předmětu, podmínky pro získání klasifikovaného zápočtu

Architekura mikroprocesoru AVR ATMega ( Pokročilé architektury počítačů )

Ro R dina procesor pr ů Int In e t l Nehalem Šmída Mojmír, SMI108 PAP PA 2009

Bakalářská práce Realizace jednoduchého uzlu RS485 s protokolem MODBUS

Semestrální práce z předmětu Speciální číslicové systémy X31SCS

MSP 430F1611. Jiří Kašpar. Charakteristika

SEKVENČNÍ LOGICKÉ OBVODY

Architektura Intel Atom

SPARTAN - 3 Xilinx FPGA Device

VÝUKOVÝ MATERIÁL. 3. ročník učebního oboru Elektrikář Přílohy. bez příloh. Identifikační údaje školy

Návod k obsluze výukové desky CPLD

Stanovit nezbytná pravidla pro tvorbu dokumentace vytvářenou ve SITRONICS centru využitelnou firmou SITRONICS TS.

Základní deska (1) Parametry procesoru (2) Parametry procesoru (1) Označována také jako mainboard, motherboard

Informační a komunikační technologie

XC3000(A) / XC3100(A)

Výkonnost mikroprocesoru ovlivňují nejvíce dvě hlediska - architektura mikroprocesoru a tzv. taktovací frekvence procesoru.

Z čeho se sběrnice skládá?

Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC

Procesor EU peníze středním školám Didaktický učební materiál

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

Boundary scan Testování SoC a NoC

Když procesor nestačí, FPGA zaskočí

PŘÍLOHY. PRESTO USB programátor

VÝUKOVÝ MATERIÁL. 3. ročník učebního oboru Elektrikář Přílohy. bez příloh. Identifikační údaje školy

Direct Digital Synthesis (DDS)

PROGRAMOVATELNÁ LOGICKÁ POLE

ZÁKLADY PROGRAMOVÁNÍ. Mgr. Vladislav BEDNÁŘ /14

INFORMAČNÍ A KOMUNIKAČNÍ TECHNOLOGIE

Systémy pro sběr a přenos dat

Technické prostředky počítačové techniky

Procesor. Hardware - komponenty počítačů Procesory

Procesor Intel Pentium (1) Procesor Intel Pentium (3) Procesor Intel Pentium Pro (1) Procesor Intel Pentium (2)

Cache paměti (1) Cache paměť: V dnešních počítačích se běžně používají dva, popř. tři druhy cache pamětí:

LOGICKÉ OBVODY X36LOB

Specifikace VT 11 ks. Ultrabook dle specifikace v příloze č ks. 3G modem TP-LINK M5350

INFORMAČNÍ A KOMUNIKAČNÍ TECHNOLOGIE

Roman Výtisk, VYT027

Jak do počítače. aneb. Co je vlastně uvnitř

7. Pracovní postupy. Fakulta informačních technologií MI-NFA, zimní semestr 2011/2012 Jan Schmidt

Kryptoanalýza šifry PRESENT pomocí rekonfigurovatelného hardware COPACOBANA

Inovace výuky prostřednictvím ICT v SPŠ Zlín, CZ.1.07/1.5.00/ Vzdělávání v informačních a komunikačních technologií

Základní deska (motherboard, mainboard)

Optika v počítačovém vidění MPOV

Informační a komunikační technologie

Obsah. O autorovi 11 Předmluva 13 Zpětná vazba od čtenářů 14 Errata 14

Vestavný modul pro počítačové vidění využívající hradlové pole

Architektura počítače

Inovace výuky prostřednictvím ICT v SPŠ Zlín, CZ.1.07/1.5.00/ Vzdělávání v informačních a komunikačních technologií

Real Time programování v LabView. Ing. Martin Bušek, Ph.D.

BKD/ BKF 7000 tyristorové DC měniče od 5 do 1100 kw

TVORBA DOKUMENTACE. 1. Cíl Usnadnit tvorbu jednotné dokumentace. 2. Účel Stanovit nezbytná pravidla pro tvorbu dokumentace.

Paměti Rambus DRAM (RDRAM) Paměti Flash Paměti SGRAM

Programovatelné automaty SIMATIC S7 a S5

Prezentace do předmětu Architektury a použití programovatelných obvodů 2

Představení a vývoj architektur vektorových procesorů

Embedded Linux a možnosti zrychlení startu zařízení

Zprovoznění kitu Xilinx Spartan-6 FPGA Industrial Video Processing Kit

Architektura počítačů

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Workshop. Vývoj embedded aplikací v systému MATLAB a Simulink. Jiří Sehnal sehnal@humusoft.cz. info@humusoft.cz.

Implementace systémů HIPS: historie a současnost. Martin Dráb

INFORMAČNÍ A KOMUNIKAČNÍ TECHNOLOGIE

Jízda po čáře pro reklamní robot

Manuál přípravku FPGA University Board (FUB)

Digitální obvody. Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D.

Logické funkce a obvody, zobrazení výstupů

Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC

Transkript:

Úvod: V tomto dokumentu je stručný popis programovatelných obvodů od firmy ALTERA www.altera.com, které umožňují realizovat číslicové systémy s procesorem v jenom programovatelném integrovaném obvodu (SOPC System-On-a-Programmable-Chip) s minimem vnějších součástek. Historie číslicových systémů: První číslicové obvody a pomocí nich realizované číslicové systémy se objevily v druhé polovině šedesátých let s technologií obvodů s malou (SSI) a dále střední (MSI) hustotou integrace. Díky technologii obvodů s vysokou hustotou integrace (LSI) byl v první polovině sedmdesátých let vyroben první mikroprocesor. Pro snadnější realizaci systémů, kde nebylo vhodné použití procesorů se začaly vyrábět programovatelné obvody. Počátek výroby v druhé polovině sedmdesátých let. Do začátku devadesátých let se jednotlivé druhy obvodů vyvíjejí samostatně. Číslicový systém je zpravidla realizován jako mikroprocesorový s podpůrnými obvody pomocí hradel. V devadesátých letech jsou programovatelné obvody vyráběny pomocí nejmodernějších technologií (hustota 10.000 ekvivalentních hradel) a číslicový systém je realizován pomocí mikroprocesoru a podpůrných obvodů v programovatelném obvodu. V současnosti programovatelné obvody obsahují v jednom pouzdře mimo programovatelné logiky i logické bloky (paměti, rozhraní, registry, čítače ) a mezi nimi také mikroprocesor. Číslicový systém lze realizovat na jednom čipu s minimem vnějších součástek. Jedním z výrobců těchto obvodů je firma ALTERA www.altera.com. FPGA + mikroprocesorové jádro: Mikroprocesorové jádro v programovatelném obvodu může být realizováno dvěma odlišnými způsoby: Při použití nejmodernějších technologií výroby integrovaných obvodů je možné na čipu k programovatelné části integrovat paměti, registry, čítače, ALU či celé jádro vybraného nebo speciálně navrženého procesoru. Druhou možností je použití programovatelného obvodu s velkým počtem hradel (1.000.000 EH - Ekvivalentních Hradel) a procesor realizovat z těchto hradel popisem jazykem VHDL nebo Verilog HDL. V tomto případě jsou na čipu integrované některé bloky např. paměti. (Dnes standardní bloky velkých programovatelných obvodů)

U obou verzí lze mikroprocesor modifikovat programovatelnou logikou na čipu. Firma ALTERA vyrábí obě možné varianty. HW verzi s procesorovým jádrem ARM922T v obvodech FPGA APEX 20KE pod označením Excalibur. SW verze má označení Nios je určena pro tyto FPGA: Stratix, Cyclone, APEX, Mercury, Excalibur, FLEX10K nebo použití pro HW realizaci v ASIC obvodech. Zajímavou kombinací je použití SW snadno modifikovatelného jádra Nios v programovatelném obvodu s HW jádrem Excalibur. V jednom obvodu je možné kombinovat několik modifikací Nios pokud je v použitém FPGA dostatečný počet hradel. hradel. Jednotlivé mikroprocesory podporují operační systémy podle tabulky Tab. 1. Operační systém Nucleus PLUS RTOS µc/os-ii, the Real-Time Kernel Linux NORTi RTOS Linux OSE RTOS KROS Výrobce Accelerated Technology Micriµm Microtronix MiSPO MontaVista Software OSE Systems Shugyo Design Podpora mikroprocesorem Excalibur Nios Tab. 1 Podporované operační systémy

Excalibur: Excalibur je označení obvodů FPGA s integrovaným 32-bitovým RISCovým procesorem ARM922T procujícím na frekvenci až 200MHz a dalšími částmi pro vytvoření procesorového systému na jednom čipu. Bloková struktura obvodu je na Obr. 1. Činnost systému je možné monitorovat pomocí rozhraní JTAG (Joint Test Action Group). Obr. 1 Bloková struktura obvodu Propojení jednotlivých bloků mikroprocesoru a vazba na programovatelnou logiku je zobrazena na Obr. 2. Propojení je pomocí sběrnice s vysokým výkonem AHB. AHB1 master slouží k připojení pamětí a běží na frekvenci jádra tj. na 200MHz. Lze využívat vnitřní (integrovanou) paměť, nebo rozšířenou externí paměť. AHB2 slave slouží k připojení periferií a tvoří mosty do FPGA části. Taktovací frekvence AHB2 je poloviční frekvencí jádra. AHB je založena na sběrnici AMBA (Advancet Microcontroller Bus Architecture). Obr. 2 Propojení mikroprocesoru a programovatelné logiky v obvodech Excalibur

Struktura procesoru ARM922T je na Obr. 3. a jeho bloková schéma na Obr. 4. Obr. 3 Struktura procesoru ARM922T Obr. 4 Blokové schéma ARM922T

Obvody Excalibur se vyrábějí s různou velikostí paměti a velikostí programovatelné části FPGA (PLD) uváděné v počtu ekvivalentních hradel (EH). Označení jednotlivých verzí je EPXA1, EPXA4, EPXA10. Označení v sobě nese údaj o počtu EH. (EPXA1 100 000 EH, EPXA4 400 000 EH, EPXA10 1000 000 EH). Parametry jednotlivých verzí jsou shrnuty v Tab. 2. (Pojmy: Logic Element - LE, Embedded Systém Block - ESB jsou přiblíženy v příloze o FPGA). Přehled o integrovaných periferiích, dostupné paměti a velikosti FPGA (PLD) dává Obr. 5. Tab. 2 Vlastnosti jednotlivých verzí obvodů obsahujících jádro Excalibur Obr. 5 Jednotlivé verze Excalibur

Na Obr. 6. je uveden příklad aplikace obvodu Excalibur. Obr. 6 Příklad aplikace (Voice-Over Packet Gateway)

Nios: Nios je softwareová verze procesorového jádra. Je určena pro tyto FPGA: Stratix, Cyclone, APEX, Mercury, Excalibur, FLEX10K od firmy ALTERA, nebo použití pro HW realizaci v ASIC obvodech. Procesor je popsán v jazyce VHDL. Sběrnice lze nakonfigurovat, aby byly 16 nebo 32 bitové. Standardně jsou k dispozici bloky podle Obr. 7. Obr. 7 Standardní bloky Nios Příklad úpravy jádra uživatelem je na Obr. 8. Tímto způsobem je možné zajistit požadované zpoždění kritických algoritmů (jsou realizovány hardwareově), přidat uživatelem definované instrukce a upravit procesor pro DSP. Obr. 8 Uživatelská úprava standardního bloku Základní bloková struktura 32-bitového jádra procesoru Nios je zobrazena na Obr. 9. Obr. 10 zobrazuje připojení periferií k jádru přes sběrnici PBM. Na dalších obrázcích Obr. 11 a Obr. 12 je uvedeno použití jádra Nios v FPGA APEX. Tab. 3 uvádí využití těchto obvodů.

Obr. 9 Jádro procesoru Nios Obr. 10 Periferie procesoru Nios

Obr. 11 Použití Nios v FPGA APEX Obr. 12 Použití více Nios v FPGA

Tab. 3 Využití dvou typů FPGA pro různou šířku sběrnic Obr. 13. uvádí příklad ladění aplikace na čipu. Obr. 13 Příklad ladění aplikace s Nios v FPGA

Struktura FPGA: Obvody Excalibur vzniknou integrací RISCového procesoru ARM922T, peměti a dalších bloků do FPGA APEX 20K. Softwareová verze procesoru Nios je doporučena pro FPGA APEX 20K případně do ASIC obvodů. Z tohoto důvodu jsou dále uvedeny základní vlastnosti obvodů APEX 20K. Struktura obvodu je na Obr. 14. Základní bloky jsou programovatelný blok hodin, programovatelné vstupně/výstupní buňky vestavěné (zabudované) bloky ESB (Embedded System Block) a vlastní jádro FPGA programovatelné tabulkou LUT (Look-Up Tables). Jednotlivé bloky jsou pospojovány výkonnou sběrnicí podle Obr. 15. Obr. 14 Struktura APEX 20K Obr. 15 Architektura jádra APEX20K

Základní stavební buňka je Logic Element (LE). Struktura LE je na Obr. 16. LE je programovatelný tabulkou LUT. Deset LE tvoří LAB (Logic Array Block) viz..obr. 17. Obr. 16 Struktura LE Obr. 17 Struktura LAB

Větším stavebním prvkem je MegaLAB, který obsahuje 16 LAB, 1 ESB (zabudovaný blok) a rychlou propojovací sběrnici MegaLAB Interconnect. Struktura MegaLAB je na obrázcích Obr. 18. resp. Obr. 19. Na Obr. 19je zobrazeno začlenění MegaLAB do FPGA podle Obr. 15. Obr. 18 Struktura MegaLAB Obr. 19 Struktura MegaLAB a jeho začlenění do FPGA

Závěr: Integrované obvody Excalibur od firmy ALTERA jsou perspektivní součástky pro konstrukci mikroprocesorových systémů v jednom integrovaném obvodu (SOPC System- On-a-Programmable-Chip). Těchto možností bylo dosaženo spojením nejmodernějších technologií pro konstrukci programovatelných obvodů. Lze předpokládat, že nové systémy budou konstruovány způsobem SOPC. Mezi hlavní výhody SOPC patří to, že není nutné používat rozsáhlých desek plošných spojů (DPS). Na DPS jsou pouze silové obvody napájení, akční členy apod. Tím se ušetří rozměry a hmotnost, sníží se rušení, zvýší se spolehlivost, rychlost vývoje (odpadne vývoj DPS) a ušetří značné finanční prostředky. Systém je možné libovolně konfigurovat a upravovat podle potřeby. V případě větších sérií je možné použít ASIC obvody čímž se dále sníží náklady. Softwareová verze Nios nabízí možnost úpravy vlastního jádra procesoru a přizpůsobit tak procesor aplikaci (zpracování signálů, volit šířku sběrnice, velikost ALU apod.), což při klasické konstrukci systému není možné.