Implantation de processeurs dans les FPGA et ASIC Processeur « softcore »

1. Implantation de processeurs dans les FPGA et ASIC Processeur « softcore» (SoPC : System on Programmable Chip)

2. Quelques processeurs « softcore » • Propriétaires: • Picoblaze(8bits) Microblaze (Xilinx) • NIOS (Altera) • Arm CortexM1 (Arm) implantable sur FPGA Actel, Altera et Xilinx • Open Source: • Micro8 Micro32 (Lattice) • LEON (Gaisler Research) • OpenRISC (opencores.org) • Autres: • Z80, 8051, 6502, 68xx…

3. Bibliographie • Datasheets et notes d’applications des fabricants de FPGA et des concepteurs de systèmes sur silicium • www.actel.com • www.xilinx.com • www.altera.com • www.lattice.com. • www.arm.com • www.opencore.org etc…

4. Conception du circuit et Conception du programme Conception du circuit • Langage HDL, schéma ou interface graphique spécifique • Choix des périphériques (UART, Timers, ADC..) • Bloc IP dans le FPGA (softcore) • Circuits externes à connecter au FPGA (matériel) • Compatibilité des signaux et des vitesses des bus • Câblage du processeur et des périphériques • Choix du plan mémoire • Interfaçage des bus si les périphériques ne sont pas compatibles avec le processeur.

5. Conception du programme • Développé en général avec des outils traditionnels (assembleur,compilateur, linkeur…) • Le plan mémoire doit être pris en compte • Importance du fichier de linkage • Implantation du programme • Dans le FPGA • Bloc HDL simulant une ROM et son contenu à connecter • Fichier binaire dans un bloc de mémoire FLAH interne • Transfert éventuel et exécution en RAM interne • À l’extérieur du FPGA • mémoire FLASH externe connectée au FPGA • Transfert éventuel en RAM pour le débogage ou exécution plus rapide

6. Le FPGA AFS600 (Actel) • Configuration non volatile grâce à la technologie FLASH • 600000 portes logiques 13824 bascules • 2 blocs de mémoire FLASH de 2Mbits • 1 FlashROM de 1kbits • 24 blocs de SRAM/FIFO de 4kbits • Blocs de gestions d’horloges (PLL…) fmax =350MHz • Convertisseur ADC intégré 12bits 600kech/s • Nombreuses entrées/sorties configurables • Supporte les Cœurs processeurs « ARM Cortex M1 et M7 » • Outils de développement gratuits et téléchargeables

7. Description de l’AFS600

8. Routage enTechnologie flash

9. Un bloc logique configurable« Versatile »

10. Blocs « Versatiles » configurés en fonctions combinatoires

11. Blocs « Versatiles » configurés en bascules

12. Entrées/Sorties

13. Entrée configurée en « Double Data Rate »

14. Oscillateur interne/externe

15. Circuit multiplicateur/diviseur d’horloge à PLL

16. Interface de configuration

17. Convertisseur Analogique Numérique

18. Mesure directe de tension

19. Atténuation et mesure de tensions

20. Mesure d’intensité

21. Mesure de température

22. Entrées tout ou rien

23. Les outils de développement

24. Les interfaces de saisie • • ViewDraw : Schéma électronique • On place et on relie des composants • Le fichier HDL est créé automatiquement • HDL Editor :Editeur de texteVHDL ou Verilog • Description structurelle • Description comportementale • CoreConsole: • Pour assembler les cœurs processeurs et les périphériques • SmartDesign: • Pour interconnecter les coeurs IP, les composants HDL… • peut remplacer coreconsole • Autre : Saisie graphique de diagramme d ’états

25. La synthèse logique • • Logiciel Synplify, Leonardo Spectrum… • Traduit en «blocs logiques élémentaires interconnectés » • les fichiers du projet • Génère un fichier au format EDIF. • Le résultat de la synthèse peut être affiché sous forme : • - classique ne tenant pas compte de l ’architecture du FPGA • - ou de schémas adapté à l ’architecture du FPGA

26. La simulation fonctionnelle • • Logiciel ModelSim • Simule le fonctionnement du circuit avant son implantation • Utile pour détecter des erreurs de conception • Ne tient pas compte des contraintes et aléa de fonctionnement liées au composant ciblé: • fréquences maximales d ’horloge • possibilités de routage • ressources insuffisantes • temps de transfert réel dans les circuits logiques • …etc...

27. Le placement - routage • Logiciel : Actel Designer • Affecte les pattes d ’entrées/sorties • Génère le fichier de configuration à télécharger dans la cible • Produit un rapport avec les ressources utilisées et les temps de propagation de broche à broche.

28. La simulation « post-routage » • • Logiciel ModelSim • La simulation tient compte de l ’implantation dans le composant. • Elle permet de vérifier si le circuit répond au cahier des charges

29. Configuration de la cible • Avec le logiciel « FlashPro » par l ’interface USB/JTAG dans la mémoire flash de configuration du composant

30. Développement soft pour le cortexM1 • SoftConsole repose sur Eclipse et sert d’environnement de développement. • Les outils de compilation pour le cortex M1 sont fournis par • CodeSourcery • FlashPro est utilisé pour charger et le programme dans la cible.

31. Tests sur la cible • • On effectue des tests avec des signaux réels sur la cible pour valider le circuit créé. • L ’interface JTAG est utile pour sonder l ’état logique des broches du circuit en fonctionnement

32. Les TP sur FPGA M1AFS600 • Prise en main de outils ACTEL sur des exemples simples • en VHDL • en mode schéma (TP1) • Mise en place et programmation du Cortex M1 • à l’aide des exemples fournis avec le didacticiel (TP2) • Développer un système CorteABC simple qui n’utilise • que les ressources internes du FPGA (TP3) • Mettre en œuvre le core8051s (TP4)

33. Datasheets pour les T.P. • Carte de développement • M1AFS Shematics.pdf (schémas) • M1AFS User guide v1.1.pdf (Tutorial) • Datasheet du circuit « Fusion AFS600 » • Fusion_HB.pdf • Librairies de composants standards • Pa3libguide_ug.pdf • Gen_refguide_ug.pdf • Cœurs microcontrôleurs • CoreABC_HB.pdf • Core8051s_HB.pdf • CortexM1_HB.pdf