Рубрика «Verilog»

Возникал ли у вас когда-нибудь вопрос "как работает процессор?". Да-да, именно тот, который находится в вашем в ПК/ноутбуке/смартфоне. В этой статье я хочу привести пример самостоятельно придуманного процессора с дизайном на языке Verilog. Verilog — это не совсем тот язык программирования, на который он похож. Это — Hardware Description Language. Написанный код не выполняется чем-либо (если вы не запускаете его в симуляторе, конечно), а превращается в дизайн физической схемы, либо в вид, воспринимаемый FPGA (Field Programmable Gate Array).

Читать полностью »

Introduction

As first-year students of Innopolis University, we had an opportunity to make our own project in computer architecture. University suggested to us several projects and we have chosen to make a stack-based calculator with reverse polish notation. One of the requirements for the project is to use FPGA board provided by the university.

Stack-based calculator on the Cyclone IV FPGA board - 1

As our board, we have chosen Cyclon IV. Therefore, we had to write code on hardware description language. In the course we have studied Verilog, so we have chosen it. Also, the university has additional modules for FPGA, such as numpad, thus we decided to use it in our project.

In this article, we want to share our knowledge about FPGA and Verilog, also provide you with a tutorial to repeat our project.
Читать полностью »

Всем привет!

В этой статье речь пойдет об одной важной части цифровой обработки сигналов — оконной фильтрации сигналов, в частности на ПЛИС. В статье будут показаны способы проектирования классических окон стандартной длины и «длинных» окон от 64K до 16M+ отсчетов. Основной язык разработки — VHDL, элементная база — современные кристаллы FPGA Xilinx последних семейств: это Ultrascale, Ultrascale+, 7-series. В статье будет показана реализация CORDIC — базового ядра для конфигурации оконных функций любой длительности, а также основных оконных функций. В статье рассмотрен метод проектирования с помощью языков высокого уровня С/C++ в Vivado HLS. Как обычно, в конце статьи вы найдете ссылку на исходные коды проекта.

КДПВ: типичная схема прохождения сигнала через узлы ЦОС для задач анализа спектра.
Особенности оконной фильтрации на ПЛИС - 1
Читать полностью »

Мой Hello World! на FPGA или очередная версия UART

Наконец-то у меня дошли руки до изучения ПЛИС. А то как-то неправильно получается: драйвера на железо под Linux пишу, микроконтроллеры программирую, схемы читаю (и немного проектирую), надо расти дальше.

Так как мигать светодиодами мне показалось не интересно, то решил сделать простенькую вещь. А именно написать модули приемника и передатчика для UART, объединить их внутри FPGA (заодно понять как использовать IP Core), ну и протестировать это все на реальном железе.
Читать полностью »

Господа! На фотографии Ирина, девушка из Новосибирска, рассматривает музейную экспозицию про персональные компьютеры 1980-х годов. Именно тогда, в 1980-х, окончательно произошел весьма неприятный разрыв между западной электроникой и советской. Если в 1970-х советская электроника просто отставала лет на 7 (если судить по датам выхода DEC PDP-11 и СМ-4), то в районе 386-го она просто померла.

Одновременно в конце 1980-х на Западе появилась технология логического синтеза из языков описания аппаратуры Verilog и VHDL. Эта технология стала мейнстримом в 1990-х и в конечном итоге в 21 веке привела к айфонам и нейроускорителям. Логический синтез ввели во всяких MIT и Стенфордах вместе с лабами на ПЛИС-ах еще в 1990-е, но в России и Украине того времени пораженческие настроения и неверие в отечественную электронику привели к тому, что исправлять ситуацию предстоит нам сейчас.

Для того, чтобы построить в России экосистему разработки электроники, с сотнями компаний, а не дюжиной, как сейчас, нужно делать то, что делали в США в 1990-х и делают сейчас в Китае: выучить кучу молодых инженеров принципам логического проектирования цифровых схем на уровне регистровых передач. Даже если не все из них будут проектировать микропроцессоры и сетевые чипы, а половина пойдет в чистое программирование, эти знания не пропадут зря: время повышения быстродействия компьютеров за счет уменьшения транзисторов подходит к концу, и везде наступают гибридные софтверно-хардверные решения, со специализированными аппаратными вычислительными блоками — об этом недавно даже произнес речь Джон Хеннесси, председатель совета директоров компании Alphabet / Google.

Если вы в Казани или Новосибирске и хотите проектировать микросхемы, как в Купертино - 1

Я это все говорю к тому, что она днях в Новосибирске пройдет одно из мероприятий по вытаскиванию России из неразвитого состояния в данной области.
Читать полностью »

Сейчас выходит русский перевод японской манги 2013 года про цифровые схемы, созданной Амано Хидэхару и Мэгуро Кодзи. Несмотря на несерьезную форму изложения, суть этой книжки очень здравая. Например, она начинает от древних микросхем малой степени интеграции и быстро привязывает их к современному языку описания аппаратуры Verilog и программируемым логическим интегральным схемам (ПЛИС). Также манга четко определяет зачем нужны комбинационные и последовательностные схемы, и дает представление о методах оптимизации.

Манга избегает ошибок многих своих предшественников. Одну из таких ошибок совершил Чарльз Петцольд в книге «Код», которая вводила последовательностную логику не на D-триггерах, управляемых фронтом тактового сигнала (edge-triggered D-flip-flop), а на D-триггерах с работой по уровню (защелках, level-sensitive D-latch), хотя потом переключалась на правильные триггеры. Вероятно, ошибка была связана с тем, что Чарльз Петзольд, который прославился как автор учебников по программированию GUI в Microsoft Windows, не был практикующим разработчиком электроники, и для него защелки были «проще», чем триггеры с фронтом. Проблема в том, что защелки плохо совместимы со статическим анализом задержек при логическом синтезе, главной технологии проектирования цифровых схем последних 30 лет. Системы на кристалле внутри гаджетов типа айфона в качестве элементов состояния в 99% случаях используют D-триггеры переключаемые по фронту, а защелки используют только в очень специальных случаях. Давать новичкам строить схемы на защелках — это значит вводить их в заблуждение.

В этом смысле манга лучше чем Петзольд. Вот как элегантно манга объясняет работу двухступенчатого master slave D-триггера, управляемого фронтом тактового сигнала. Это делается с помощью феи «Хи-хи-хи» и феи «Ха-ха-ха»:

Японские феи показывают работу master-slave триггера в новой манге по цифровой электронике - 1
Читать полностью »

Ещё раз о задержках в исходном коде проекта FPGA или простой вопрос для собеседования на вакансию разработчика FPGA - 1

Некоторое время назад при обсуждении в компании профессиональных разработчиков FPGA возникла дискуссия о прохождении собеседования. Какие вопросы там задают, и что можно было бы задать. Я предложил два вопроса:

  1. Приведите пример синхронного кода без использования задержек, который даст разные результаты при моделировании и при работе в реальной аппаратуре
  2. Исправьте этот код при помощи задержек.

После этого вопроса завязалась оживлённая дискуссия, в результате которой я решил более подробно рассмотреть этот вопрос.
Читать полностью »

Уже не первый год Wilson Research Group проводит исследование по тенденциям в сфере FPGA и ASIC. По данным исследованиям можно определить основные векторы развития и изменения, которые происходят в мире программируемой логики.

image
Читать полностью »

Золото досталось России, серебро разделила Россия и Италия, бронза досталась Украине. Таковы результаты европейского финала престижного соревнования InnovateFPGA под эгидой Интела. Победители поедут в Калифорнию, где встретятся с финалистами из Америки и Азии. Надеюсь, теперь не нужно будет объяснять на Хабре, почему Verilog и ПЛИС/FPGA стратегически важны, несмотря на то, что «вакансий на джаву больше».

Студенты, которые сейчас делают проекты на ПЛИСах, через несколько лет будут делать массовые микросхемы для самоуправляемых автомобилей, ускорителей нейронных сетей, дополненной реальности и других приложений, в который обычный процессор не справляется. Именно поэтому Intel потратил 16.7 миллиардов долларов на покупку Altera и вход в рынок ПЛИС. А на днях Интел купил еще и компанию eASIC для дешевой конверсии дизайнов из ПЛИС в ASIC (в eASIC есть достаточно многочисленная российская команда).

Победа российских и украинских команд в интеловском конкурсе InnovateFPGA возникла не на пустом месте, а в результате работы конкретных людей в ЛЭТИ, ИТМО, КПИ и других местах, о которых уже были статьи на Хабре. Если продолжить эти начинания и расширить преподавание ПЛИС и языков описания аппаратуры во все технические вузы от Калининграда до Якутии, от Львова до Тбилиси и Астаны — то через пару десятилетий это может изменить расстановку сил в мировой электронной промышленности примерно так же, как работы Курчатова и Королева изменили расстановку сил в мировой атомной промышленности и освоении космоса.

Российские и украинские команды взяли верх над европейцами на европейском финале интеловского конкурса InnovateFPGA - 1
Читать полностью »

Проектирование процессора (CPU Design) LMC - 1
Часть I
Часть II
Часть III

Это полная версия предыдущей статьи.

Спроектируем Little Man Computer на языке Verilog.

Статья про LMC была на Хабре.

Online симулятор этого компьютера здесь.

Напишем модуль оперативной памяти (ОЗУ), состоящий из четырех (ADDR_WIDTH=2) четырёхбитных (DATA_WIDTH=4) слов. Данные загружаются в ОЗУ из data_in по адресу adr при поступлении тактового сигнала clk.

module R0 #(parameter ADDR_WIDTH = 2, DATA_WIDTH = 4)
(
    input clk, //тактовый сигнал
    input [ADDR_WIDTH-1:0] adr, //адрес
    input [DATA_WIDTH-1:0] data_in, //порт ввода данных
    output [DATA_WIDTH-1:0] RAM_out //порт вывода данных
);
    reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [2**ADDR_WIDTH-1:0]; //объявляем массив mem
 
    always @(posedge clk) //при поступлении тактового сигнала clk 
        mem [adr] <= data_in; //загружаем данные в ОЗУ из data_in 
    
    assign RAM_out = mem[adr]; //назначаем RAM_out портом вывода данных
endmodule

Читать полностью »