Ultra96

Avnetから画期的なZynq UltraScale+ FPGA評価ボードが発売されたので入手しました。何が画期的かというと、搭載されているチップが20nm先端プロセス、ARM A53×4コア、R5×2コアを搭載したFPGA評価ボードが、従来20万円以上したいわばプロ用の評価ボードが約3万円という、アマチュアにも手が届く価格になったことです。同じチップを搭載しているボードの過去記事はhttp://fs-micro.com/post/show/id/39.htmlです。また、インベーダゲームを実装した記事はhttp://fs-micro.com/post/show/id/52.htmlであり、同じチップであることから、簡単に実装可能と思われます。

開発ツールも無償のWebpackという論理合成、シミュレーション、配置配線全部入りのツールが使えるので、ひと昔前の設計現場では考えられない素晴らしい環境となりました。LSIのEDA、特に配置配線等では数千万円するものもあったのです。

メーカサイト:
http://zedboard.org/product/ultra96

拡張インタフェース

以前に設計したグラフィックディスプレイコントローラとサウンドコントローラを、本Ultra96ボードのFPGAに実装します。

問題点としては、図80.2に黄色で示すように汎用GPIOが16本しかなく、グラフィック系だけでも各色4bit×3原色=12bitあり、他にサウンド系4bit、スイッチ系で4bitと少々オーバーします。幸いグラフィクスは各色4bitも使用していないので、各色1bit×3原色=3bitとして本数を減らすことにします。

目的

掲載予定のアプリケーションを示します。

前のブログ 次のブログ

デジタル的に出力すればOKのグラフィック系と異なり、アナログであるオーディオ系は正しく動作させるのに案外苦労が必要でした。これだけでなく、リアルタイム性やノイズ防止の考慮を含めるともっと大変でしょう。

出来上がったサウンド系階層のブロック図を図79.1に示します。これはソフトマクロで、中にステートマシン、サウンド格納用ROM、パラシリ変換ユニットから構成されます。

基本的に左側のステートマシンが、外部から与えられた音色コードに従い、右上のサウンド格納用ROMから8bitPCM wave情報を読み出し、それを右下のパラシリ変換ユニットを用いてDAC用シリアルデータに変換します。

サウンドの難しい点は演奏終了以前に割込みが入ったらどうする等の、時間的な仕様を定義するところです。本来は同時発声チャネルを複数用意し、サウンドを重ね合わせれば良いはずですが、今回は優先順位表(図79.2)を作成し、優先度の高いサウンドが、演奏中の優先度の低いサウンド演奏を中断させる仕様としてみました。優先度の高いサウンドを待たせるとおかしくなるためです。例えばインベーダの移動音が、弾の発射音を中断させても違和感を感じます。マスキング効果を考えれば、重畳しなくても特に問題ないことが実験により判明しました。

前のブログ 次のブログ

ここでアナログ波形をDSOで取得してみます。図78.1のような波形が取得されました。青がシリアルDACデータ、黄色がDACの出力のアナログ波形です。

一方で、サウンドデータをAudacityで開いてみると、図78.2のような低音の波形となっています。これはインベーダの進行音です。

シミュレーション波形やwaveデータ波形は図78.2のようであり、アナログ波形はこのようでなければならないはずなのですが、図78.1ではある閾値以上と以下で波形が折り返されているようです。ここで思いつくのがMSBが反転しているのではないかということです。ここまではwaveデータをそのままDACに入力すれば良いと思っていたので、データ構造を調べてみます。すると、以下の事がわかりました。

• 8bitPCMデータは符号なし
• 16bitPCMデータは符号付き

従って、パラシリ部で8bitから16bitへ伸長する際にLSBへのゼロ詰めだけではなく、符号なし⇒符号付き変換を実施しなければなりません。ハードウェアにMSBを反転する修正を加えたところ、図78.3のような正しいアナログ波形が得られました。

破裂音はロウパスフィルターが入っていないことだと考えていましたが、波形を見て一目瞭然、符号付き⇒符号なしの変換が抜けていたことが根本原因でした。これで音楽データであってもきれいに再生できるはずです。

前のブログ 次のブログ

破裂音原因解析

シミュレーション波形を確認すると、アナログ波形がなんだか尖っています。アナログとデジタルの一致性が必要で、そのためにはサンプリング周波数の1/2以上の周波数をカットする必要があります(標本化定理)。

周波数帯域を制限するには22.05KHz以上をカットするロウパスフィルターを入れる必要がありますが、まずDACチップのデータシートの参考回路図を確認します。

図77.2のとおり、アナログ出力にRとCで構成されるロウパスフィルターが入っています。

次にそれがどのように実装されているかを、PMOD DACモジュールのデータシートで確認します。

出力のロウパスフィルターが入っていないことがわかりました。 サンプリング周波数は44.1[KHz]であったので、ロウパスフィルターの時定数を決定します。 図77.2にCを求める式が書かれており、 $$ C=\frac{50+470}{4\pi\cdot 44.1\cdot 10^3\cdot 50\cdot 470}=40[nF]=0.04[\mu F] $$ となることから、アナログ出力に40nFのキャパシタ(0.04$\mu$Fのセラコン等)を挿入すれば良いことになります。

前のブログ 次のブログ

データ変換

ROMに入れるデータをVivadoで読めるCOEフォーマットに変換します。以下はwaveの16進ダンプファイルをCOEのデータ部に変換するコマンドです。これにヘッダとトレーラを付ける修正を行いROMデータとします。

$ od -An -t x1 -v input.wav >output.coe

シミュレーション

詳細設計に基づきシミュレーションを実施し、波形を確認し、不具合を修正するというループに入ります。 Vivadoはアナログ波形も表示可能であり、シミュレーションでアナログ波形を確認します。

もちろん全体だけでなく、細かいクロック毎の動きを見ていきます。ステートマシンが期待通りのステート遷移をしているか、LRCLKとシリアルビットデータの並びはDAC仕様に合っているかなどを見ていきます。

実験

FPGAにビットファイルをダウンロードし、実験します。STARTスイッチを押すと、それなりの音が出ますが、元のファイルをPCで再生した音と若干異なるようです。なにか破裂音が混ざっています。元の音はインベーダが破壊された時の音なので、破裂音が混ざっていても構いませんが、もし音楽だったら聴くに堪えないでしょう。

前のブログ 次のブログ

設計指針

設計指針を記述していきます。

• サウンドデータはwaveフォーマットでROMに8bit単位で格納する。フォーマットは非圧縮PCM、8bit、モノラル、11.025KHzサンプリング
• FSMはFSMCLKで動作する。FSMCLK=176.4KHz(=1/8*SCK)。
• 8bitサウンドデータの読み出しは、FSMからアドレスを与えることで行う。
• FSMから並列直列変換(以降パラシリ)にROMデータを供給する。
• パラシリでは8bitデータをDACの要求する16bitデータに伸長する。具体的にはROMデータを上部8bitに詰め、下部8bitはゼロを詰める。
• パラシリのシフトはSCK(=BCLK)で行う。SCK=1.4112MHz。ただし、これを出力しなければ自動的にDACの内部クロックモードとなり、MCLKから適当にシフトクロックを生成するとのこと。
• パラシリの1フレームはLRCLKの立下りで開始する。LRCLK=44.1KHz(=1/32*SCK)。
• マスタークロックはMCLK=11.2896MHz
• 変換されたシリアルデータは1SCK遅らせてDACに出力する。

アーキテクチャ設計

以上の指針からブロック図を書くと以下のようになります。

詳細設計

上記ブロック図(アーキテクチャ設計)をもとに、ブロック内部をRTLで記述したものを下図に示します。 SCKはシリアルクロック(=ビットクロック)ですが、内部クロックモードを使用するために、コンスタント出力としています。基本的にZynqを除き、ブロック図と一致しています。

前のブログ 次のブログ

※前回の続きです。

設計制約

設計制約をリストアップします。

• LRCLKの1周期に対し、L=16bit, R=16bitの32bitのシリアルデータが必要であり、シリアルデータはSCKでシフトされるので、SCK=LRCLK*32。ただしこのSCKは、DACに供給しなければDAC内部で発生されます。
• データフォーマットより、サンプリングレートは16進数で16'h2b11=11025、すなわち11.025KHz。LRCLK=Fs(サンプリング周波数)とのことで、LRCLK=11.025KHzとしたいところですが、下図において、LRCLK=11.025KHzが存在しないので、データのほうを4倍のインターポレーションすることにし、LRCLK=44.1KHzとします。
• 上記関係式よりSCK=1.4112MHz。
• マスタークロック(MCLK)は下図のように、256, 384, 512, 768, 1024倍等の任意性がありますが、ここでは256倍のMCLK=11.2896MHzを使用します。

タイミングチャート

クロックに関する設計制約が解決したので、タイミングチャートを書いていきます。基本的にハードウェアベースのサウンド出力であるため、FSMによるフォーマット解析を行います。タイミングチャートは以下のとおりです。

ステートマシンのクロックFSMCLKは図74.2のように、ステートアドレス、ステートデータ、データアドレス、データデータの4クロックで1サウンドデータの読み出しになることから、$\text{CLK}^{-1}$をCLKの周期と表記すれば、4*$\text{FSMCLK}^{-1}$=2*16*$\text{SCK}^{-1}$、つまり、8*FSMCLK=SCK。これよりFSMCLK=176.4KHz。

DACが要求する16bitデータ×2ch(L, R)の32bitデータについては、データソースが8bitモノラルであるため、8bitデータをMSB側に詰め、残りは0詰めし、16bitとします。LとRには同じデータを供給します。

インタポレーションのやり方はゼロ詰めする方法と、同じデータを繰り返す方法があります。16bit@44.1KHz表現可能なDACに対して8bit@11.025KHzという荒い音質であることから、同じ32bitデータを4回繰り返すことにします。

以上で設計制約から来るクロック周波数とタイミングチャートが確定したので、これに基づいてFSMを設計します。

前のブログ 次のブログ

次はサウンドです。音を出すには可聴周波数帯域の適当な振幅のアナログ信号を出力します。そのために前述したPMOD-I2SというDACが必要になります。

製品データシート： https://reference.digilentinc.com/_media/reference/pmod/pmodi2s/pmodi2s_rm.pdf

使用DACデータシート： https://www.mouser.com/ds/2/76/CS4344-45-48_F2-472818.pdf

このデータシートによればステレオの24ビットオーディオDACとのことで、ゲームサウンドには高級すぎますが、それほど高価ではないのでこれを使うことにします。インタフェースはI2Sというシリアルデータです。 マニュアルに掲載されているシリアルデータフォーマットを次の図に示します。

16bitデータ2ch(L, R)の32bitデータをシリアルでDACに供給しますが、注意点は図のように1ビットズレていることです。

入力としては、waveファイルをデコードし、シリアルデータを出力するようなモジュールを作成します。以下に入力のwaveフォーマットを示します。 http://sky.geocities.jp/kmaedam/directx9/waveform.html

このwaveをデコードするFSMを設計します。以下にサンプルのwaveフォーマットを示します。

入手したwavファイルのサンプリング周波数とデータ精度がバラバラで、ハードで扱うには厳しいので、全て11.025KHz、8bit、Mono、メタデータ無しに変換しておきます。そのコマンドは以下のとおり。

$ ffmpeg -i input.wav -ac 1 -ar 11025 -acodec pcm_u8 -fflags +bitexact -flags:v +bitexact -flags:a +bitexact output.wav

※次回に続きます。

前のブログ 次のブログ

必要な機材を以下に示します。

FPGA評価ボードのPMODコネクタに接続するVGAインタフェース及びオーディオインタフェースはdigilent社から購入したものです。以下にそれらのページを示します。

PMOD VGA Video Graphics Array:
https://store.digilentinc.com/pmod-vga-video-graphics-array/(魚拓) (RSコンポーネンツで￥1,425)

PMOD I2S Stereo Audio Output:
https://store.digilentinc.com/pmod-i2s-stereo-audio-output/(魚拓) (RSコンポーネンツで￥1,927)

計2個の送料は￥450で、税込み合計￥4,106でした。

前のブログ 次のブログ

通常はデュアルポートメモリのA側はCPUを用いてプログラムから読み書きすることになります。言うまでもなくソフトウェアにより、複雑なシーケンスを制御しやすいためです。ところがFPGAはハードウェアといえどもプログラム可能なハードウェアであり、ましてHDLにより設計することから、フルハードウェアで描画マスタを構成することにトライしようと思います。

テーマは今年40周年を迎えた「スペースインベーダー」です。フルハードウェア(ソフトウェアを一切使用しない)でこれが動けば、たいていのものはハードウェアでできるのではないでしょうか。

Vivadoによりグラッフィックコントローラに描画マスタをハードウェアで構成したものを以下の図に示します。

これが動作しているところを、以下の図に示します。

前のブログ 次のブログ