ロードトップ参照元逆検索検索ヘルプ

電子工作/FPGAで何をしようか

SuzTiki:電子工作

趣味として、FPGA を何につかったら、満足が得られるか考えてみる。ほんとうのところは、ただただ FPGA を使ってみたいのだが、使ったことで満足を得られるかどうか ... これがポイント。

CPU を作るというのは、興味深いのだが、出来たからどうなのだろう？成果物が実際のなにかの役に立つような気がしない。

CPU を作るのは手段ならば良いが、目的にするにはすこしおもしろくない。

自分が満足する条件を考えてみると

FPGA でなければ作れないもの or FPGA だからシンプルに作れるもの。
- 組み込み用の 8 or 16 bit CPU で作れるものはダメ。→ ある程度高速なデバイス
- 高度な 32bit 以上の CPU ではできてもよいが、それを撰択するよりシンプルかコスト的に見合うもの。

自分が使ってなんらかの役に立つ(はずの)もの。

この2つの条件を満たすものを考えていたのだが

イーサネットの先に直接つながるデバイス。たとえば IDE Disk を制御できるもの

というのを考えてみた。もちろん 10Mbps 程度のイーサネットではおもしろくない。 100 Mbps の PCI のチップをつなぎ実際に高いスループットで転送できるようなもの。

なぜ、イーサネットかというと、(PC を含めて)家のマシンはどれもろくなインターフェイスを持っていない。100 Mbps のイーサネット以外だと USB 1.0 しかないし、小型 PCばっかりなので、PCI で拡張ってのも無理がある。 PC 以外だと、拡張できないような携帯PC とかルータ系とか ... 長年ネットワークにつがなることだけを優先しつづけてきたので、かたよりがあるのだ。

多くの組み込み用の CPU では、PCI のホストになるのは大変だ。 FGPA を使えば、ちゃんとしたホストと言えなくとも特定の PCI のデバイスぐらいは制御できるのではないか。

もちろん、PCI バスをもっている CPU を使えばそういうことはできてしまうのだが、FPGA と同等以上の規模になるはずだ ... と思っておく。

SH系なら簡単などとは考えない。なぜならFPGAを使いたいというのが、もともとの動機であって、ここではそれを強化しているにすぎないから。ただし、SH とくらべてシステムが大幅に高くなるというのではやはりダメ。 ... うーん落しどころが難しい。

低速でも良いのなら、たいがいのものは、8/16 bit CPU を使えばできる。 FPGA で回路を組むということは、それらでは達成できない性能を得るということが条件になる。ただ、 NP-BBRsx のように TX39/H2 コアの TMR3927AF を使った方が安上がりで妥当なものが作れそうなカテゴリのものではダメだ。
で、プロトコルコンバータのようなものがとりあえずターゲット。そういうことを考えて行くと、片側の媒体が Ethernet で反対側は IDE という組み合わせが妥当じゃないかという結論が出てきた。
ただ、SH や TM9327AF のような安価な 32bit CPU で作れるものでは、本当はおもしろくない。なんかもうひとひねり必要だと思うのだが、十分ノウハウがない状態では想像してもあなまり意味がないかも。そういう意味で、足掛かりとして取り組むというのも想定する。

さて、イーサネットの先にデバイスが直接つながるとどう便利だろうか。 HOST に制限されないから、そのデバイスを接続した PC を立ち上げておくといったことをせずにすむ。こういう特長が便利な場面はいくつかあるように思う。
- もちろんプリンタなどは十分便利なのだが、それゆえに安価に製品が出ている。
- たとえば USB で制御できるメジャーな装置キーボード、マウス、リームーバブル-ストレージ、ディスク、スキャナ、カメラ、プリンタ、パラレルポート、シリアルポート、イーサネット、無線、デジカメ,MP3プレイヤーなどの携帯装置あたりをイーサネットにつなぐとどうなるか考えてみる。
- キーボード、マウスは、Bluetooth ならおもしろいかもしれない。 HHK を改造して作って、Bluetooth 搭載の PDA につなぐ...とか。ただここでは考えない。
- プリンタは既に安価。カメラもある。スキャナは、有望かもしれない。ただ、スキャナ自体は、自分ではとくに欲しいものではない。
- リームーバブル-ストレージや DISK は、欲しい。
- パラレルポート、シリアルポートは、汎用かつ高速多チャンネルなら欲しいかなぁ。
- イーサネット -- イーサネットはスイッチングハブとかルータが既に安価にある。
- 無線LAN, bluetooth のアクセスステーションは、カテゴリとして既に確定。ハード自作のターゲットにはならない。
- 携帯装置は、種類が多すぎる。 USB のプロトコルを Ethernet に流すだけでインテリジェントでなければ可能かも。ただ、IDE DISK より難易度はたかそう。

セキュリティについてはどうか .. はっきりいって通常の意味のセキュリティを持たせるのは無理。ではどうするか。安全なようにデバイス専用の Network を物理的に組むことを前堤にせざるを得ないかもしれない。

なにが出来るかわからないが、なにをしないといけないか...考えてみる。

ステップ1

1000円ぐらいで売られている PCI の 100M イーサを単にデバイスと扱えるモノを作ってみる。最初は、HOST に接続して、HOST からデバイスのレジスタを読めるだとかそういうのを目標にする。

PCI を良く知らないし、どれぐらいの規模になるのか想像もつかないが、もし CPLD で扱えてしまうのなら、それだけでも満足いく成果だと思う。

もちろんこの段階で、PCI とはどういうもので、どうやって動くのかを勉強することになる。

ステップ2

ステートマシンの高度なものか、CPU を作りこんでイーサネットから受信/送信できるものを作る。

これもまた現時点では良く分からないのだが、Linux や BSD のドライバやカーネルの PCI の制御などをちゃんと読めばわかるだろう。

考えてみれば、PIC でも制御できているんだから、なんとか作れるんではないかという気になる。

IP を作ってプログラムを書くのも良いが、ステートマシンの高度なもので作れた方が満足度はたかそうだ。
- ある論理を回路レベルでコンパイルするわけだから .. 結果としては似たものなのかも。

ここは楽しみどころだ。いろんなやり方がありそうだし、ここだけで loop してしまうかも。.... それでもいいのだ。

ステップ3

プロトコルを考えて、贋者のデバイス ( 実際にはものはないが、あたかもあるようなふりをするもの) をでっちあげる。

プロトコルは、TCP が実装できればそれにこしたことはないが... 別にそれ以外のオリジナルなものでもかまわない。

相手はかしこく/自分はバカというのを前堤にして、非対称なものを考えた方が簡単そうだ。将来 iSCSI がメジャーになってくるかもしれないのだが、それに拘れば作れそうにない。

ここも自由度が高いから楽しめそうだ。ある程度は知識があるつもりだが ... どんなものに仕上がるのか想像できていない。

ステップ４

10 Mbps 以下でしか送受信できないようなものになってしまうと作った意味がないから、プロトコルの完成度より高スループットで、送受信できるものを考える。

実際に高スループットでデータ転送できるデバイスは、やっぱり DISK とか ... リアルタイムの動画とか ... 欲しいのはストレージなんで一応 DISK それも IDE を考えることにする。

IDE DISK をどう制御するかという話は、基本的にステップ1ー3の流れと独立だから、Network 系でいきづまったら、手を付けるのも良いかもしれない。

最終的に動くものを作り上げるのは、いろんなことを知らないといけないし、かなり難しいと思う。でも、もし作ることができたらかなりの満足が得られそうだ。

バッファとして RAM を付けなければならなそうだという予想はあるが... IDE ディスクの中にもキャッシュはあるわけだ。( しかも高速 ) ひょっとしたら、RAM を付けなくともなんとかなるのかも知れない。そういうシンプルなものを作ることができたら、大満足だなぁ。

到達できなかったとしてもそれぞれのステップで十分楽しめそうだし、とりあえずは、そういうのを目標にして、FPGA で遊ぶということにしよう。

2002/06/27

あぁ。買うことにしてしまった。XC2S100-5TQ-144C しかも 5つ。もう一生遊べるにちがいない。

まあ、長期に渡って遊ぶから、あわてないのだが、評価用ボードを手に入れないといけない。

秋月C基板でスパルタン2なボードをわけてもらうというのを視野にいれつつ、ボード設計も楽しいから、まずは自分で考えてみようかと思う。

上記のことを想定すると ... PCI のスロットと IDE 用のピンヘッダを付けられる必要がありそうだ。

EAGLE で free で使える範囲だと、10cm x 8cm までに押える必要がある。手もとの PCI の Ethernet のカードは、端子の幅が 8cm ぐらい。長辺で物理的にはスロットを接続できそうだ。 IDE 40 pin は、51mm ぐらいだから、短辺でも置けそうだ。

1 スロットを 1:1 でつなぐつもりだけども、ターミネータとかいるのかなぁ。ここは、ちゃんと勉強しないとわからない。

さて、IDE はというと、実はこれもちゃんと勉強しないとわからない。 40 pin のピンヘッダを立てて、片側はほとんど GND だったと思うけどそれぐらいしか知らない。

で、まんなかに 144 pin の FPGA。

さて、これだけで良いか... というと .. RAM を付けておきたい。本来の目的でもバッファに使うかもしれないし。

で、config 系はどうしよう。jtag ポートを付けるとして、それだけで良いか。... HOST と常に接続するのを前堤にすればそれでも良いらしい。

手もとに Flush ROM と VQ64 の CPLD があるはずだから ... これを使って config 用の部分を組むのがよさそうだ。

で、FPGA が enable になった後は、Flush ROM を直接アクセスできるようにもしたい。

直接は無理 -- PCI と IDE で I/O をほとんど使ってしまう。 RAMU もだめ。

あと電源系 ... 3.3V と 2.5V のレギューレータでいいことにする。

あ、5V の信号を接続できるかどうか... ちゃんと押えていない。だめだったらマズイなぁ。
5V TTL レベルは OK 。

クロックはもちろん必要。PCI 33Mhz だそうだが、正確でなくてもよさそう。 40Mhz のクロックモジュールが手もとにあるんだが...こんなんで良いのか？

まあ、そんなボードを考えてみることにする。もちろんいろいろ調べてからでないと .. ダメだが。あわてないし、のんびりやることにする。

CPLD のマスターが先だし ...

CPLD や FPGA を使うと嬉しいのは、pin 接続の制限がないこと。ボードの配置を先にきめて、配線できる。

PIN 数が足りるかどうかは分からないが ... 144 pin だし、だいじょうぶじゃないかなぁ。もし足りなければ ROM と RAM をバス接続することにするとか ... ROM をシリアル接続だけにするとか .. いくつか方法はあるだろう。

とりあえず部品を並べてみた。

10cm x 8cm にはいらないことはなさそうだ。

1 つのボードに PCI,IDE,ROM,RAM が入るとなると、まともなコンピュータシステムにしたくなる... したくなるが、そういうのは、一応主要な目的からはあえて外す。
FPGA の I/O ピンが足りなくて RAM は載せられない。ROM も FPGA 側から直にアクセスするのは無理。

XC2S100-5TQ144 のメモ

ロジック規模 10万ゲート (RAM を含む)
Logic Cells 2700
CLB Array 20x30
I/O 92 -- 思っていたより少なかった
- PQ208 なら 140 使えるけど、ボード自作できるのが条件になってしまい、保険がなくなってしまう。

Total Distributed RAM 38,400
Total Block RAM 40K

電源は、2.5V , I/O 用に 3.3V
I/O は、TTLレベル、PCI ともに OK。
最大 200Mhz
コンフィグデータ 781216 bits (97652 bytes) IDE のメモ

コネクタ

     ~Reset        1  2         GND
      Data7        3  4         Data8
      Data6        5  6         Data9
      Data5        7  8         Data10
      Data4        9 10         Data11
      Data3       11 12         Data12
      Data2       13 14         Data13
      Data1       15 16         Data14
      Data0       17 18         Data15
      GND         19 20         (key)
      DMARQ       21 22        GND
     ~LOW         23 24        GND
     ~IOR         25 26        GND
      IORDY       27 28        CSEL
     ~DMACK       29 30        GND
      INTRQ       31 32       ~IOCS16
      DA1         33 34       ~PDIAG
      DA0         35 36        DA2
     ~CS0         37 38       ~CS1
      DASP        39 40        GND

信号線 32
GND 7
NC(Key) 1

PCIのメモ

参考にしたもの
- http://homepage3.nifty.com/mujirushi/ews/cpld_pci/index.html
- http://member.nifty.ne.jp/toyozou/reconfig/reconfig5.html

重要そうな信号線 ( いまのところ)

コネクタ

			 ( 外側 )
				部品面 
	TRST#          A1	B1	-12V
	+12V           A2	B2	TCK
	TMS            A3	B3	GND	
	TDI            A4	B4	TDO
	+5V            A5	B5	+5V	
	INTA#          A6	B6	+5V	
	INTC#          A7	B7	INTB#
	+5V	       A8	B8	INTD#
		       A9	B9	PRSNT1#              --+
	+VIO           A10	B10                            |
		       A11	B11	PRSNT2#               -+
	X              A12	B12	切り欠き(3.3V カード) -+
	X              A13	B13	切り欠き(3.3V カード
	3.3VAUX        A14	B14	
	RST#	       A15	B15	GND	
	+VIO           A16	B16	CLK		o PCICLK
	GNT#           A17	B17	GND
	GND            A18	B18	REQ#		O
	PME#           A19	B19	+VIO
	AD30           A20	B20	AD31
	+3.3V          A21	B21	AD29
	AD28           A22	B22	GND
	AD26           A23	B23	AD27
	GND            A24	B24	AD25
	AD24           A25	B25	+3.3V
	IDSEL	       A26	B26	C/BE3#		o
	+3.3V          A27	B27	AD23
	AD22           A28	B28	GND
	AD20           A29	B29	AD21
	GND            A30	B30	AD19
	AD18           A31	B31	+3.3V
	AD16           A32	B32	AD17
	+3.3V          A33	B33	C/BE2#		o
	FRAME#	       A34	B34	GND
	GND            A35	B35	IRDY		o
	TRDY#	       A36	B36	+3.3V
	GND            A37	B37	DEVSEL#		o
	STOP#	       A38	B38	GND
	+3.3V          A39	B39	LOCK#		o
		       A40	B40	PERR#
		       A41	B41	+3.3V
	GND            A42	B42	SERR#
	PAR	       A43	B43	+3.3V
	AD15           A44	B44	C/BE1#		o
	+3.3V          A45	B45	AD14
	AD13           A46	B46	GND
	AD11           A47	B47	AD12
	GND            A48	B48	AD10
	AD09           A49	B49	M66EN
	X              A50	B50	切り欠き(5Vカード)
	X              A51	B51	切り欠き(5Vカード)
	C/BE0#	       A52	B52	AD08
	+3.3V          A53	B53	AD07
	AD06           A54	B54	+3.3V
	AD04           A55	B55	AD05
	GND            A56	B56	AD03
	AD02           A57	B57	GND
	AD00           A58	B58	AD01
	+VIO           A59	B59	+VIO
	REQ64#         A60	B60	ACK64#
	+5V            A61	B61	+5V
	+5V	       A62	B62	+5V

すなおに信号をつなぐと PCI 50 ぐらい/IDE 32 で I/O ピンの 92 のほとんどが埋まってしまう。他のデバイスはあんまりつけられない。
- RAM 入れたかったなぁ。背伸びして、PQ208 を撰択すべきだったか。まぁ、これが遊べるレベルにまでなってから、次考えればいいか。
  ならなければ、次考える必要もないわけだが... 次のレベルは、 RAM と ROM 入れて、いまどきの電子ブロック的ハードにしたいなぁ。

そうであれば ... PC 接続専用ということにしよう。
- PC 接続専用にしても USB 使えないかなぁ。カメレオンUSBみたいに AN2135SC じゃなくて、(XC9572XL or H8/3664) + USBN9603 がいいなぁ。
  なぜかというと、できあがった頃には、AN2135SC は入手できないかも。あと、gcc で開発できないのが厭だったりする。
  XC9572XLの中にステートマシン組み入れて、USBN9604 コントロールするというのは難しそうだが、どこまでできるのかやってみるのはおもしろそうだ。
  H8/3664 なら CPU に作れるだけの能力はあるし、チップ単体なら 800円だし。これでも良いわけだが... 多機能だから他のこともやらせたくなってくるし、 CPLD でできるのならそっちが良いなぁ。
- CPLD の線はほぼ消えた。どうしても載せたいなら、H8/3664 +USBN9603 か。

メモ:
- 秋月の 1M シリアル EEPROM AT24C1024 (800円) は、 2.7V-5.5V で扱える。スバルタンII XC2S150 以下は、1Mbit 以下なので、容量的には OK。 XC2S200 から 1Mbit を越える。(1,335,840 bits)。H8 付けるのならこれも。

メモ

PCI 以外のインターフェイスで 100M のイーサネット

LAN91C111 というのがあるらしい。組み込み用途で LAN の範囲が拡がっているからそんなものがあるわけか。でも、どうやって入手するんだろうか？
... このチップメーカ製 Linux ドライバもあるらしい。

MII インターフェイス。MII というキーワードドライバのソース見ているといろいろでてくるんだが 25Mhz で 4bit を扱うインターフェイスらしい。100M イーサって 25Mhz で 4bit に多重化して送っているから物理層を扱うもの。まあ、これを扱おうと思うのは私には無理そうだが一応めも。
- MAC 内蔵 CPU というのがあるらしい。SH7615/7616 とか。北斗電子の SH7515 ボードは、 DP83843 とかいうのを使っている。
- あ、PC のチップセットでもそういうのがあるか。ということは、 MII インターフェイスってのは、わりと一般的？

(最終更新 Thu Mar 30 19:01:14 2006)