a hardware development on fpgas

FPGAで始めるハードウェア

設計 @shtaxxx

09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

はじめに自己紹介


Twitter: shtaxxx


福島高専電気工学科→ 東工大工学部情報工学科→

東工大大学院情報理工学研究科

計算工学専攻修士1年


専門と興味


計算機アーキテクチャ


計算機の仕組みを研究


マルチコアメニーコアが熱い！(?)


Intel Core i7


IBM SONY 東芝

Cell/B.E 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

SUN ROCK


ネットワークオンチップ (NoC)


投機的並列スレッディング


FPGAで作る大規模検証環境


生まれてはじめての高橋メソッド


SHTA.X>みえてる？


では本題へ


FPGAで始めるハードウェア

設計 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

今日の内容


The first step


そもそもハードウェアってなに？


仕事の手順 (=命令)

を与えたら動くもの


ファミコンがハードウェア


スーパーマリオがソフトウェア


身近なハードウェアとソフトウェアは


パソコン


ハードウェア代表: CPU


CPUの仕事: 命令を順番にこなす！


命令をメモリから持ってきて (Fetch)


1

命令を解釈して (Decode)


2

実行！ (Execution)


3

結果を出力

(Write Back) 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

4

1～4を繰り返す！


命令の集まり= ソフトウェア



アプリケーションライブラリ

OS

全部命令の集合


みんなオリジナルのソフトウェア作るよね？


だってPCがあれば

作れるもん！無料だもん


shtas-Mac:~ shta$ cat hello.c #include <stdio.h>

int main(){ printf("Hello, world!\n"); return 0; } shtas-Mac:~ shta$ gcc hello.c shtas-Mac:~ shta$ ./a.out Hello, world! 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

みんなオリジナルのハードウェア作るよね！


例えばオリジナル

CPU 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

Javaのバイトコードをそのまま実行


特殊命令追加で高速化


パターンマッチング専用コア


ハードウェア Twitter

クライアント 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

作るよね！！


作りたい！ 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

でもチップ製作は

高い orz orz


もっと手軽に

できないかな？ 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

そこで FPGA


FPGAとは書き換え可能なディジタル回路


例えば


CPU MPEG4 Encoder

かきかえ！

どんな形？


Xilinx Spartan


Altera Cyclone


LatticeXP2


要は ICチップです


なにがあれば開発できるのか


統合開発環境


1

例) Xilinx ISE


Web Packなら無料でDL できます


FPGA基板


2

例) アットマークテクノ社 SUZAKU-S


例)MieruPC社 FPGACard


[AD] 詳しくはこちらまで! MieruPC株式会社 http://mierupc.com/


もちろん無料ではありません


書き込みケーブル


3

例)Digilent社 JTAG USB Cable


もちろん無料ではありません


これだけあれば何度でもオリジナル

ハードウェアが作れる！


えー無料で

できないのー？ねぇ？


波形シミュレーション

なら無料でできます！


必要なもの


シミュレータ


1

例) ISE ISim


ISE Web Pack と一緒に

インストールできます


例) iverilog


Macportsなら

sudo port install iverilog

でインストールできます


どうやって開発するの？


基本はソフトウェアと同じ流れ


ソフトウェアの場合


言語を選ぶ C, Java, Ruby

とか 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

エディタでごりごり書く


(必要なら) コンパイルして機械語に変換


実行！！ 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

FPGAの場合


言語を選ぶ VHDL

Verilog HDL とか


エディタでごりごり書く


コンパイルしてシミュレーション

もしくは FPGAに書き込む


どうやって回路を書くの？


ソフトウェアの場合


プログラミング言語で記述

例)C, Javaとか 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

FPGAの場合


ハードウェア記述言語で記述


VHDL Verilog HDL

など 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

まず書いてみよう！


Step 1 Hello, World! 的なもの


= LEDチカチカ


module HELLO(CLK, RST_X, LED); input CLK; //入力ポートクロック信号 input RST_X; //入力ポートリセット信号 output LED; //出力ポート LEDに接続

reg [21:0] counter; //22bitの内部レジスタ

assign LED = counter[21]; //継続的代入文 //counterの21bit目をLEDに接続するイメージ

//always文 CLKやRST_Xの変化に合わせてどうなるか always @(posedge CLK or negedge RST_X) begin if(!RST_X) begin //リセット時 counter <= 0; end else begin counter <= counter +1; //1増える end end endmodule


ちかちか！


波形


簡単でしょ？


Verilog HDLの簡単な文法


reg [7:0] hoge 7番目がMSB 0番目がLSBの

8ビットのレジスタ (値の入れ物)


7 6 5 4 3 2 1 0

wire [7:0] fuga 7番目がMSB 0番目がLSBの 8ビット分の配線


7 6 5 4 3 2 1 0

代入: =

または <=


= ブロッキング代入

即時に値が反映される 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

<=

ノンブロッキング代入ブロックの最後にまとめて反映される


Q) aが3,bが4のとき a = b; b = a;

の結果は？ 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

A: aもbも4


Q) aが3,bが4のとき a <= b; b <= a;

の結果は？ 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

A: aは4 bは3


他にもありますが時間が・・・


Step X オリジナル計算機


例) MieruPC


FPGA: Xilinx

Spartan 3E 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

CPU: MIPS準拠オリジナルプロセッサ


メインメモリ:52KB

キャッシュ: なし


補助記憶: MMC(SD) カード


Verilog HDLでフルスクラッチ


たった1000行


意外と簡単そう


MieruPCプロジェクト: 中身が見える

計算機システムを構築する研究・教育プロジェクト

http://www.arch.cs. titech.ac.jp/mieru/


一緒に計算機開発しようよ！


まとめ 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

ソフトウェア同様

ハードウェアも手軽に開発可能


FPGAでオリジナルのハードウェアが実現できる！


シミュレーションなら無料！


オリジナルのソフトウェアだけじゃなく


オリジナルのハードウェアも

作ろう！ 09.08.29 高専カンファレンス in 東北 @福島高専

そしてオリジナルの

計算機を作ろう！


ソフトウェア +

ハードウェア = 最強


ご清聴ありがとうございました @shtaxx


画像の引用元 http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/0811/intel.htm

http://www.superblog.jp/mt/archives/2007/08/ http://arstechnica.com/hardware/news/2008/02/sun-can-you-smell-

what-the-rock-is-cookin.ars http://www.fs-jpc.net/parts/cpu.html

http://av.watch.impress.co.jp/docs/20041221/nexx.htm http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fpga_xilinx_spartan.jpg

http://www.easyfpga.com/Products/EZ1CUSB/Images/ez1cusb_top_small.jpg

http://www.kumikomi.net/article/news/2007/05/30_01_p1.jpg http://www.atmark-techno.com/en/products/suzaku/suzaku-s

http://mierupc.com/product/fpgac.html http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?Prod=JTAG-USB


a hardware development on fpgas

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