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Cmod A7の利用 (6) |
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DRPからアクセス可能な各種ステータスレジスタ及びコントロールレジスタを示します。
次にDRPアクセスタイミングを示します。
この仕様に従ってADCデータを読み出すFSMをBSVでプログラミングします。BSVではStmtFSMライブラリを用いることによりシーケンシャルな処理を実行するFSMが容易にかけるため、FSMの設計に何ら痛痒を感じません。ただし結果としてはEOC(End of conversion)をDEN(DRP Enable)に接続し、Continuousモードに設定するだけで連続的にADC値が出力されるため、シーケンサを組む必要はありませんでした。
完成したADCソフトブロックを以下に示します。ADCの出力に接続しているのは、ADC値からy座標に変換する回路(#705で設計予定)です。
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Cmod A7の利用 (5) |
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Artix 7シリーズFPGAのADCを利用するには、ただ読み込めば良い基板上のスイッチと異なりいろいろと制約があるようです。ADCのユーザーズガイド(UG480)に書かれていますが、DRP(Dynamic Reconfigure Register)経由で読み出すとのことです。
その日本語版 (UG480) のXADCの概要によれば、
XADC には、オンチップ電源電圧とダイ温度の測定をサポートするいくつかのオンチップ センサーも含まれています。ADC 変換データはステータス レジスタと呼ばれる専用レジスタに格納されます。これらのレジスタは、ダイナミック リコンフィギュレーション ポート (DRP) と呼ばれる 16 ビットの同期読み取り/書き込みポートを使用して、FPGA インターコネクト経由でアクセスできます。
とのことであり、以下にブロック図を示します。右下にDRPブロックがあります。
VivadoにおいてはXADC Wizardによりパラメータを設定してからインスタンスします。
以上を設定のうえOKをクリックすると図のようなモジュールが生成されます。WizardではXADCが内部にインスタンスされたラッパーモジュールを生成します。
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Cmod A7の利用 (4) |
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回路を修正し、基板版数をV5としました。修正箇所は
これにより基板サイズを多少大きくしました。回路図中に文字の重なりがあるのはEagleのバグのようです。
再度JLCPCBに依頼しましたが、費用は以下のとおり変わりません。
| 内容 | 費用[USD] |
|---|---|
| 基板製造費10枚 | 5.00 |
| 配送費(OCS) | 1.98 |
| 合計 | 6.98 |
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Pongの作成 (7) |
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標準ではLTSpiceに可変抵抗器は存在しないようです。そこで可変抵抗器のモデルを作成してLTSpiceに組み込んでみました。参考にさせて頂いたのはこのページ(魚拓)です。
図696.1のZo1-Zo2間に0-10kΩの可変抵抗を発生させる仕様であり、インピーダンスがゼロとならないよう、電源内部に1Ω抵抗を入れています。以下はこの部品のSpice記述です。
.SUBCKT ZX In1 In2 Z Zo1 Zo2 Eout Zo1 1 POLY(2) (In1,In2) (Z,0) 0 0 0 0 1 Fcopy 0 Z Vsense 1 Rin In1 In2 1G Vsense 1 Zo2 0 .ENDS
これを用いたLTSpiceにおける部品の作成法を示します。
これを組み込んだ回路のシミュレーションを実施したので以下に回路と波形を示します。
制御電圧$V_\text{1}$(グリーン)は実際には存在しない制御電圧で0～1.0Vです。Zo1とZo2の間がこれにより0～10KΩとなります。$V_\text{in}$(ブルー)は0.3～3.3Vとなり、CmodA7入力電圧$V_\text{1}$(マゼンタ)は0.3～3.2Vとなっています。ADCの入力電圧$V_\text{out1}$(ブルーグリーン)は0.07～0.94Vとなっています。ただし変化が急かもしれないので、その場合にはR5を例えば10KΩと大きくすることで調整します。
R5を10KΩとした場合、ADCの入力電圧$V_\text{out1}$(ブルーグリーン)は0.2～0.94Vと下側が上がったものの、変化が穏やかになりました。
秋月の10KΩの可変抵抗器Bを見ると可変角は最大300°だそうで、使用感を考えると可変抵抗を最大まで使うよりも角度の一部を使ったほうが使いやすそうです。そのためADC入力電圧の下側を上げて47KΩとし、回転角の60～90°くらいを使用したほうが良いかもしれません。
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Pongの作成 (6) |
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Pongの作成 (5) |
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さて、Pongの実装で欲しくなるのがパドルコントロールのためのツマミです。一般には可変抵抗器で実装しているようです。幸いCmodA7にはアナログ入力があるので、可変抵抗器を接続すればよさそうです。
FPGAボード内のアナログ入力は以下のようになっています。外部の0～3.3Vの電圧を抵抗で分圧し、FPGAのADC入力は0～1Vの入力としています。入力インピーダンスが高いとは言えないので、外部回路の出力インピーダンスが高い場合問題になります。
可変抵抗器は出力インピーダンスが変化するので、設計が案外面倒です。最大と最小のみの2点だけを考えれば良いのかもしれませんが、ここではアナログ回路シミュレータであるLTSpiceを使用してみます。
まず、可変抵抗器のシミュレーションをする前に、出力インピーダンスが高い場合にどうなるかを見てみます。出力インピーダンスが3.3Kとした場合の回路とシミュレーション波形です。浮遊容量を少し付加しています。
サイン波形を入れていますが、DC特性を見る目的です。
波形から明らかなように、基準電圧$V_\text{in}$(ブルー)は3.3Vまで上昇しているにも関わらず、出力インピーダンスが後段の入力インピーダンスと同程度であるため、CmodA7ボードの入力電圧$V_\text{1}$(レッド)は期待の3.3Vまで上昇せず1.6V Maxとなり、分圧したADCの入力電圧$V_\text{out1}$(グリーン)は0.5V Maxと半分しか上がりません。
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Pongの作成 (4) |
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ChatGPTにLFSRのアルゴリズムを持つ疑似乱数生成器を記述してもらいました。以下の完成したモジュールはそれを手直ししたものです。
interface Randomizer_ifc;
method ActionValue#(Bit#(1)) random_01();
endinterface
//(* synthesize *) モジュールをインライン化するためコメントアウト
module mkRandomizer(Randomizer_ifc);
Reg#(Bit#(16)) lfsr <- mkReg(16'hACE1); // 適当な非ゼロの初期値
method ActionValue#(Bit#(1)) random_01();
Bit#(1) newBit = lfsr[15] ^ lfsr[13] ^ lfsr[12] ^ lfsr[10];
lfsr <= {lfsr[14:0], newBit};
return lfsr[15];
endmethod
endmodule
作成した疑似乱数生成器の呼び出しが少々難しかったのでまとめておきます。BSVにおいてはモジュールインタフェース内に記述されるメソッドの型は
の3種類があります。それぞれ入力、入出力、出力ポートに対応しますが、ActionValueの呼び出し方に少々困難がありました。単純にメソッドを変数に入れることができないためです。
特にFSMを構成するseqブロック内で、あるレジスタwにValueメソッドの戻り値を代入するだけなら、
seq : w <= random_01(); : endseq
等とすれば良いのですが、この場合のrandom関数は内部状態を持ち、それが呼び出しにより更新されるという副作用を持つため、ActionValueメソッドとして呼び出します。この呼び出し法が少々難しく、"<-"を用いてインスタンスした上で、かつ単純にseqの中で呼ぶことはできず、actionブロックを構成してその中でのみ有効な値となります。
実例を挙げると、
import Randomizer::*;
Randomizer_ifc randomizer <- mkRandomizer;
:
seq
action
:
Bit#(1) w <- randomizer.random_01();
:
endaction
endseq
のように、actionブロックの中で"<-"を用いて関数を呼び出します。特にactionブロックを構成することになかなか気づきませんでした。
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Pongの作成 (3) |
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以下にPongのデモ画面が動作するステートマシンを組み込んだブロック図を示します。
これらのモジュールのうち、クロック系、デュアルポートRAMを含むグラフィクス系、1チャネルのサウンド系はほぼ流用です。新規設計はGameFSMのみであり、GameFSMとSoundFSMを連結するコマンドバッファもそのまま流用しています。
システムが動作している画面を示します。
パドルの縦位置はボールと同じにしてあるため、必ずボールは打ち返します。パドルでの反射は表692.1のとおり。
| 乱数1 | bcount | 乱数2 | dy |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 (45°) | 0 | (dx=1に対して)+1 |
| 1 | (dx=1に対して)-1 | ||
| 1 | 3 (18.4°) | 0 | (dx=3に対して)+1 |
| 1 | (dx=3に対して)-1 |
乱数1で傾きの逆数であるbcountを0または3とします。乱数2で方向がプラス+1かマイナスかを決定します。合わせると、bcount=0は右方向の場合速度ベクトルが(+1, +1)または(+1, -1)です。bcount=3の場合速度ベクトルが(+1, +1/3)または(+1, -1/3)です。
上下の壁にボールが衝突するとy方向の速度dyの符号を反転させます。一方、左右のパドルに衝突するとx方向の速度であるdxの符号を反転させ、かつ上記の表により方向をランダムに変化させます。
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Pongの作成 (2) |
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以下のコマンドにより、Vivadoの読めるCOEファイルを作成します。
echo 'memory_initialization_radix=16;' > srom.coe
echo -n 'memory_initialization_vector=' >> srom.coe
cat s?o.wav | \od -An -t x1 -v >> srom.coe
echo ';' >> srom.coe
サウンドステートマシンは以前作成したものを流用します。Space Invadersの開発の際には4多重音のため、4個のサウンドステートマシンを使用しましたが、Pongは単純なので1個で十分です。そのため自分と他人のサウンドコードを見分ける必要がないため、キューへの書き込みを示す!emptyで起動します。またミキサーも無くなるため、従来後段のミキサーに入れていた符号拡張と桁調整を本モジュールに組み込みました。
以下にソースコードを示します。コメントは一部ChatGPTにより作成してもらいました。
// 波形ファイルを読み込み、オーディオDACにサウンドデータを出力するFSMの定義
import StmtFSM.*; // FSMを生成するためのユーティリティモジュールのインポート
// サウンドイベントと無音を表すマクロ定義
`define SOUND1 1 // 発射音
`define SOUND2 2 // パドルとの衝突音
`define SOUND3 3 // 壁との衝突音
`define SOUND4 4 // アウトの際の音
`define NULL 'h80 // 無音を表す値（8ビットPCMで中間値）
// 必要な型定義
typedef UInt#(13) Addr_t; // メモリアドレス用の13ビット符号なし整数
typedef UInt#(8) Data_t; // 8ビットデータ用の符号なし整数
typedef Bit#(16) Sound_t; // 16ビット符号付PCMサウンドデータ
typedef Bit#(3) Code_t; // サウンドコード
// FSMのインターフェース定義。外部からアクセスするためのメソッドが定義されています。
interface FSM_ifc;
method Action sound(Code_t code); // 音声コードを示す入力メソッド
method Action rom_data(Data_t indata); // ROMからのデータ入力メソッド
method Action sync(Bool lrclk); // 同期信号を処理するための入力メソッド
method Action empty(Bool flag); // FIFOが空を表す入力メソッド
method Addr_t rom_address(); // 現在のROMアドレスの出力メソッド
method Sound_t sdout(); // 音声出力データの出力メソッド
method Bool soundon(); // 音声が再生中かどうかを示す出力メソッド
method Bool fifo_ren(); // FIFOの読み出し要求の出力メソッド
endinterface
(* synthesize,always_ready,always_enabled *)
module mkSoundFSM(FSM_ifc);
// 内部ワイヤとレジスタの定義
Wire#(Code_t) code <- mkWire, // コードを格納するワイヤと現在のコードを保持するレジスタ
current <- mkRegU;
Wire#(Bool) lrclk <- mkWire; // 左右のクロック同期用のワイヤ
Reg#(Data_t) romdata <- mkRegU; // ROMから読み込まれたデータを保持するレジスタ
Reg#(Data_t) dout <- mkReg(`NULL); // データ出力用のレジスタ（初期値は無音）
Reg#(UInt#(32)) workd <- mkRegU; // 32ビット作業用データレジスタ
Reg#(UInt#(13)) dcount <- mkRegU; // 再生カウント用の13ビットレジスタ
Reg#(Addr_t) worka <- mkRegU, // アドレス計算用の作業用アドレスレジスタ
romaddr <- mkRegU, // ROMのアドレスレジスタ
addr <- mkRegU; // 出力用アドレスレジスタ
Reg#(UInt#(8)) ii <- mkReg(0); // ループカウンタ用の8ビットレジスタ
Reg#(Bool) son <- mkReg(False), // サウンド再生中フラグ用のレジスタ
sonEarly <- mkReg(False), // 早期サウンド開始フラグ用のレジスタ
ren <- mkReg(False), // FIFO読み込み要求フラグ用のレジスタ
emptyf <- mkReg(True); // FIFOが空かどうかを示すフラグ用のレジスタ
// subfunctions
// READ MEM サブ関数：メモリからの読み出し
// input: worka
// output: romdata;
//
function Stmt readmem;
return (seq
addr <= worka;
delay(2);
endseq);
endfunction
// READ COUNT サブ関数：カウント読み出し
// input: romaddr
// output: (romaddr,...,romaddr+3) => dcount;
// romaddr + 4 => romaddr;
//
function Stmt readcount;
return (seq
workd <= 0;
for (ii <= 0; ii <= 3; ii <= ii + 1) seq
worka <= romaddr + extend(3-ii);
readmem;
if (ii == 3) dcount <= truncate(workd<<8) | extend(romdata);
else workd <= workd<<8 | extend(romdata);
endseq
romaddr <= romaddr + 4;
endseq);
endfunction
// Mainloop メインループの定義
//
Stmt main = seq
while(True) seq
action
dout <= `NULL;
sonEarly <= False;
son <= False;
ren <= False;
endaction
await(!emptyf);
action
ren <= True; // consume 1 entry of Q
current <= code;
endaction
await(emptyf);
ren <= False;
// Sync to LRCLK
//
await(lrclk);
await(!lrclk);
delay(4);
// Format decoding
//
action
case (current)
`SOUND1: romaddr <= 0 + 16;
`SOUND2: romaddr <= 1610 + 16;
`SOUND3: romaddr <= (1610 + 900) + 16;
`SOUND4: romaddr <= (1610 + 900 + 872) +16;
endcase
endaction
readcount;
romaddr <= romaddr + extend(dcount) + 4;
readcount;
romaddr <= romaddr - 1;
// play loop
while (dcount != 0) seq
// Play 0
if (sonEarly == False) seq
// 1cycle目
readmem;
action
sonEarly <= True;
son <= False;
dout <= `NULL;
endaction
endseq else seq
// 2cycle目以降
readmem;
action
son <= True;
dout <= romdata;
endaction
endseq // if
delay(11);
action
romaddr <= romaddr + 1;
worka <= romaddr + 1;
dcount <= dcount - 1;
endaction
endseq // while(!終了条件)
endseq // while(True)
endseq; // Stmt
mkAutoFSM(main); // FSMを生成し実行
method Action sound(Code_t incode);
code <= incode;
endmethod
method Action rom_data(Data_t indata);
romdata <= indata;
endmethod
method Addr_t rom_address();
return addr;
endmethod
method Sound_t sdout();
let bdout = pack(dout); // 現在のオーディオデータ(dout)をパックし、16ビットのデータ(bdout)に変換します。
let s = ~bdout[7]; // 8ビット目（MSB）を反転させてサインビット(s)を生成します。
return {{s,s},bdout[6:0],{7'h0}}; // オーディオデータをsignedに変換します。
endmethod
method Bool soundon();
return son;
endmethod
method Action sync(Bool inlrclk);
lrclk <= inlrclk;
endmethod
method Bool fifo_ren();
return ren;
endmethod
method Action empty(Bool flag);
emptyf <= flag;
endmethod
endmodule: mkSoundFSM
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6 |
Pongの作成 |
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強化学習のトライアルとして、ビデオゲームを題材に取り上げます。本来はインベーダーゲームを対象としたいのですが複雑であるため、比較的単純なPongとします。
Youtubeで動作画像を探すとこのような動画が見つかりました。
これを参考にしつつ、bsvによりプログラミングを行います。
強化学習本来の目的ではサウンドは不要ですが、ゲームとしての完成度のためにサウンドも実装します。サウンドコントローラであるSoundFSMやその周りの回路は開発済みなので、サウンド実装の工数はサウンド収集加工以外にはほとんどかかりません。そこでサウンドの収集から始めます。
サウンドフォーマット等の参考にする過去記事はこれです。
まずWindows+Gによりゲームバーを呼び出し上記動画の動画をキャプチャします。次にffmpegによりwaveに変換します。変換コマンドは次のとおりです。audacityはmp4を読み込めないため、ffmpegを用います。
\$ffmpeg -i input.mp4 output.wav
これをaudacityにより編集し以下の4つのサウンドを取得します。
| コード | 種類 |
|---|---|
| 1 | 発射音 |
| 2 | パドル |
| 3 | 壁 |
| 4 | アウト |
ffmpegを用いるとINFO等の余分な情報が削除できずハードウエアが読み込めません。よってaudacityでサウンドデータを開き、
としてエクスポートします。
ここで各ファイルサイズを見ると、
\$ ls -l s?.wav
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 1610 10月 29 21:10 s1o.wav
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 900 10月 29 21:10 s2o.wav
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 872 10月 29 21:13 s3o.wav
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 4388 10月 29 21:11 s4o.wav
以上からROMの構成表を作成すれば、
| Code | Sound | Start | Size [bytes] | Entry=Start+16 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 発射音 | 0 | 1,610 | 0+16 |
| 2 | パドル | 1,610 | 900 | 1,610+16 |
| 3 | 壁 | 1,610+900 | 872 | (1,610+900)+16 |
| 4 | アウト | 1,610+900+872 | 4,388 | (1,610+900+872)+16 |
| 合計 [bytes] (16KB ROM使用率) | 7,770 (95%) | |||
// Format decoding
//
action
case (current)
`SOUND1: romaddr <= 0 + 16;
`SOUND2: romaddr <= 1610 + 16;
`SOUND3: romaddr <= (1610 + 900) + 16;
`SOUND4: romaddr <= (1610 + 900 + 872) +16;
endcase
endaction
