Posts Tagged with "Ultra96"

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グラフィックメモリの設計

posted by sakurai on July 23, 2019

ある目的があり、グラフィックメモリシステムの設計を再度行います。前回設計しているので、パラメータを少々変更するだけで簡単にできそうな気がします。

さて、設計仕様は、昔の8bit PCのVGAをエミュレートするものです。640dotx200dotのRGB各1bitの8色という仕様ですが、横に対して縦のドット数が小さいですね。VGAタイミングのサイトだと640x400というものはあっても、640x200というサイズはありません。

画面が横長に歪であることには理由があり、アドレス空間が16bitであることが関係していると思われます。640x400にすると、RGB各1bit(2^3=8色)だと、メモリに対して8bitアクセスの場合、96,000アドレスとなり、アドレスラインは17bit必要となり、通常の8bitマイコンの16bitアドレス空間として1bit足りません。しかたなく解像度を半分の640x200にすれば、3原色で48,000アドレスとなり、アドレスラインは16bit空間に入ります。

先のFIFOを用いたデザインを再利用して、タイミングだけを変更しようとしたのですが、再検討ついでにFIFOが削除できたので、そのデザインを再利用します。これだと計算が簡単で、dual port memoryで分離されている非同期クロックドメインであるため、ビデオ系のタイミングしか検討する必要がありません。

図%%.1
図133.1 グラフィックタイミング設計用ブロック図

画面構成が640x200なので、それに基づき前回と同じSVGA(800x600)のタイミングで設計することにします。

Space Invadersの画面設計を示します。左が論理画面、右が物理画面です。SVGAの物理画面の中央に論理画面を配置し、適宜拡大します。論理画面が256x256と小さいので、縦横2倍の拡大表示を行います。

図%%.2
図133.2 Space Invadersグラフィックタイミング設計図

次に今回の画面設計を示します。SVGAの物理画面のタイミングは同じで、論理画面のサイズが異なり、縦のみ2倍の拡大表示を行います。
図%%.3
図133.3 今回のグラフィックタイミング設計図


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posted by sakurai on July 22, 2019

前稿で設計したグラフィックディスプレイコントローラですが、あとから振り返るとFIFOが無駄であることに気づきました。早速リファクタリングします。

リファクタリング前のクロックドメインが3つあるのに比べて、リファクタリング後は2つに減っています。それだけでなく、FIFOとメモリをリードしてFIFOに入れる回路の2つを削減しています。これはdual port memoryが本来FIFOの役割を果たすためです。

図%%.1
図132.1 リファクタリング前の回路

図%%.2
図132.2 リファクタリング後の回路

FIFOとメモリ読み出し回路を削減し、メモリ読み出し回路から出ていたメモリアドレスをグラフィックコントローラから出す変更により、問題なくリファクタリングが達成できました。


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Qiitaに投稿しました

posted by sakurai on July 13, 2019

FPGAの設計トライアルとしてスペースインベーダを取り上げたブログ記事を書いてきましたが、最初はAvnetのMicroZedボードで、PMOD-VGAとPMOD-I2Sのインタフェースを購入して、入力はボード上のスイッチを使用していました。

開発がほぼ完了した段階で、AvnetからUltra96 ボードが発売されたので、さっそく購入し移植しようとしましたが、Ultra96 はPMODインタフェースを搭載していないため、インタフェースボードを設計せざるを得なくなりました。

そのため、Eagleを使用して、PCBを設計し、さらに格安でPCBを製造するベンダを探しました。

この経緯をQiitaに投稿しました。合わせてYoutubeにも上げています。


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posted by sakurai on June 13, 2019

組み立てたPCBをUltra96と組み合わせ動作確認を行います。4層だから電源、グラウンドノイズが抑えられるかと思いましたが、2層とあまり変わらず、400mVp-pくらいありました。やや大きい気がします。

2層と言えどもベタ電源、ベタグラウンドとしているので4層と変わらないのか、それとも3端子レギュレータのノイズがかなり強力で、バイパスしきれていないのか不明です。パスコンをかなり入れている割にはあまり効いていない感じがします。

3端子レギュレータの温度上昇が心配だったので、デジタル温度計を繋ぎ、数時間動作させてみました。39度までは上がらないようです。12Vから3.3Vに落としているのでドロップ電圧が大きく、ドロップ電圧×電流の電力を熱として消費するため熱暴走が心配でした。このレベルの消費電力であれば、ヒートシンクは不要のようです。

図111.1
図111.1 PCB基板

ところで、前回使用したFusion PCBは実装費用が(BokTechに比べたら)高額だったのですが、今回実装費用を約65 USDも値下げしてきました。比較してみると、この基板を製造費、実装費、部品費、配送料込みで、

ベンダー Fusion PCB BokTech
2層板(5枚製造、2枚SMD実装) 89.13⇒23.52 USD 54.83 USD
4層板(5枚製造、2枚SMD実装) 129.13⇒63.52 USD 92.02 USD
2019年5月調べ

図111.2
図111.2 PCB基板価格

と競合であるBokTechを下回る価格を打ち出してきました。従来はBokTechよりも約35 USD高かったのですが、BokTechよりも約30 USDも安くなっています。

そもそも実装費用がこれだけ安ければ、全てSMDにして実装を任せても良くなります。また、部品費用はそのほうが安いものが多いため、メリットがあるでしょう。手ハンダを前提としたスルーホール中心の考え方まで変える必要がありそうです。


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posted by sakurai on June 9, 2019

あまりにもPCB製作が安いので、4層板も試作してみました。PCB業者は前回と同様Bocktechです。今回は、PCB製造に7.78日と4層のせいかかなりかかりました。PCB(SMDのみ)実装に0.90日、配送(DHL)に6.13日と、ネットでの支払い完了から数えて到着まで14.81日かかりました。またコストは、送料込みで92.02 USDで、PCB製造が42.19 USD、PCB実装に29.83 USD、配送(DHL)に20.00 USDという内訳です。

完成した回路図を図110.1に示します。EAGLEにより作図しました。UltraZedボードとUltra96ボードの兼用であるため、電源のORをショットキーバリアダイオードで取っています。どちらの電源がONしているかを2色LEDの色で表示しています。初版から比べてリセットSWとDIP SWを追加しました。

図110.1
図110.1 論理回路図

PCBアセンブリはSMD部品2個のみを実装してもらいました。garberデータの他にBOMのエクセルファイルをアップロードします。PCBアセンブリ費用29.83 USDの内訳は、部品費6.64 USD、セットアップ費20.00 USD、組み立て費0.92 USD、サービス費2.27 USDとのことでした。2枚SMD実装してもらって29.83 USDなら苦労してハンダリフローや手付ハンダをしなくても良いかもしれません。

図110.2
図110.2 PCB BOM

Boktechにより5枚を製造し、2枚をSMD実装したPCBです。

図110.3
図110.3 PCB表面

図110.4
図110.4 PCB

組み立てを実施したPCBです。電源や主要信号にテストポストを立てています。


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posted by sakurai on April 15, 2019

Bocktechという会社にオーダーしていたPCBが届きました。 このメーカーだと、PCB製造に2.66日、PCB実装に1.02日、配送(DHL)に2.00日と、ネットでの支払い完了から数えて、わずか5.68日しかかかっていません。

それなのに、値段は送料込みで54.83 USDと最安でした。PCB製造が1.00 USD、PCB実装に29.83 USD、配送(DHL)に24.00 USDという内訳です。

後は品質がどうかということなので、部品を実装して、動作チェックしてみましたが、特に問題無く動作しました。2層なので電源ノイズは小さくない(300~400mVp-p)ですが、これは会社の問題では無いです。

総じて価格は最安、納期は最短ということで、当面この会社のサービスを利用することになりそうです。

図97.1
図97.1 PCB

試作なのでPCBは5枚オーダーしました。

図97.2
図97.2 PCB基板表面

そのうちの2枚にSMDを実装しています。最低の実装数量が2枚となっているためです。

図97.3
図97.3 PCB基板裏面


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PCBの完成

posted by sakurai on April 7, 2019

FusionPCBにオーダーしていたメインPCBが届きました。実装も依頼したので、基板だけよりは時間がかかります。受注から実装完成まで18.94日、DHLによる配送が0.95日でした。FusionPCBは若干高いようですが、DHLの配送料込みなので、他社と価格比較する際はトータルで見る必要があります。

コストを抑えるため、実装はSMD部品のみ依頼し、残りのスルーホール部品はマニュアルによるハンダ付けとしました。

図96.1
図96.1 完成したPCB

部品を実装したボードをUltra96ボード、PMOD-VGAボード、PMOD-I2S(サウンド)ボード、PMOD-JOY-SWボードと組み合わせて、Space Invadersが正常に動作することを確認しました。

基板図の表、裏の両面を示します。

図96.2
図96.2 ガーバーデータ表

図96.3
図96.3 ガーバーデータ裏

UltraZedボードでは電源ONでリセットがかかったのですが、プロトタイプボードを実装して電源を入れたところ、電源スイッチをONしなければならないことが分かりました。ところが、Ultra96ボードの電源スイッチがインタフェースボードで隠されて押しにくいことが分かったので、新たに電源スイッチとついでに敵の強さを設定するDIP SWを設けました。回路は他は基本的には変えていません。ソルダーレジスト色は黒にしてみました。

図96.4
図96.4 SketchUPによる3D化

図96.5
図96.5 IndigoRTによるレンダリング


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FSMのダイレクトリターン

posted by sakurai on April 4, 2019

さて、非リーフFSMコールの後、リーフコールがある場合は、単純に前記シーケンスの組み合わせとなります。図で示すと図95.1のようになります。

図95.1
図95.1 非リーフコールからリーフコール

ここで結構見られるのが、リーフを呼んで戻った後、何もせずにさらにcallerに戻るパターンです。これを実現するより効率的な方法として、ダイレクトリターン手法があります。これを図95.2に示すと、リーフをコールする前にスタックから戻り番地を取り出しreturnに入れ、リーフへジャンプします。リーフからは知らずにリターンすると、ダイレクトリターンが行われます。

図95.2
図95.2 ダイレクトリターン

特殊な場合として、上記のようにパラメータ設定だけしてリーフにジャンプするような場合は、そもそもリーフであるため、以下の図のような呼び出しとなります。

図95.3
図95.3 ダイレクトリターン

例として、残機表示サブFSMは、(リーフである)copyAreaを呼び出すので、returnを破壊するため非リーフですが、その後のシーケンスでcopyAreaを呼び出しダイレクトリターンを行います。その際には図95.3のダイレクトリターン手法は取れないため、図95.2のダイレクトリターン手法を取っています。


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FSMのcall, returnメカニズム

posted by sakurai on March 31, 2019

前記事の共通シーケンスの続きとなります。

FSMのcall, returnメカニズムとして、returnレジスタを設置し、caller側で戻り先ステート(通常は現ステートの次)をreturnに格納しておいて、calleeを呼ぶ機構にしていることは、前記事で記載しました。

単純な場合はこれで動作しますが、callが2段以上になると、returnレジスタが1段であるため、returnレジスタの退避等が必要になります。言うまでもなくプロセッサではスタックがこの自動化を行うわけで、プロセッサの場合の疑似コードを書くと次のようになります。

call CALEE;
:
CALEE:
:
return;

コール、リターンの動作的は、32bitプロセッサの場合、

rs[--sp] ← PC + 4;
PC ← CALEE;
:
CALEE:
:
PC←rs[sp++];

FSMの場合はPCはstateレジスタに相当しますが、それを退避するRS(リターンスタック)配列を設置し、SP(スタックポインタ)も設置します。とはいえ、ハードウェアでありリカーシブコールがあるわけでもないため、4段程度の簡素なスタックとします。2bitですがSPも実装します。実際にはreturnを除いて2段で済んだので(トータルで3段)、SPは1bitとしています。

さらに、上記のようにプリディクリメント、ポストインクリメントの処理とせず、ポスト処理のみとします。その理由はサイクルをかければプリ処理も可能ですが、Verilogが遅延代入であることから、簡単のためポスト処理のみとしています。

また、通常のスタックがpush down(積むと上から下にスタックが伸びる)であるのに比べて、実装するスタックは本当のスタック(地面に積むため、下から上に伸びる)にします。これはどちらでもコストは同等です。

以上のような設計だと、FSMのコールは、図94.1のような疑似コードとなります(caller saved)。

図94.1
図94.1 コールの疑似コード

これは全ての場合に動作しますが、リーフコールが多いのにも関わらず、リーフではスタックは不要です。従って、call先を見分ける必要はありますが、コードの効率化を考えて呼び出しをリーフ(緑)コールと非リーフ(赤)コールに分け、リーフをコールする際は以下の図のようなコードを用います。

図94.2
図94.2 リーフコールの疑似コード

これは、元から使用していたコードと同じものとなります。returnを破壊する一般FSMを赤、returnを破壊しないリーフFSMを緑で表しています。

今回はcaller savedで実装しましたが、callee savedのほうが若干容易かもしれません。caller savedでは呼ぶ前にcalleeがreturnを壊すか壊さないかを調べてからcallしなければならないのに比べて、callee savedであれば、全てreturnレジスタに入れてcallし、callee側でさらに呼ぶときは(つまりreturnを壊す場合は)スタックに入れるという流れであるためです。


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posted by sakurai on March 24, 2019

FusionPCBにオーダーしていた基板が届きました。以前の設計時のブログの続きです。

非常に小さい基板で、以下に基板の100円硬貨との比較写真を示します。基板業者は前回と同じFusionPCBで、今回はOSCという速達配送業者を利用して9.9USDでした。基板のみで製造に7.94日、OSCによる配送にシンセンから日本まで3.13日かかっています。シンガポール郵便よりはだいぶ早いですね。9.9USDの内訳は、7.9USDが基板制作代、2.0USDがOSCの配送料のようです。

前回はソルダーレジストを白で製造しましたが、今回は黒にしてみました。Ultra96toPMODボードもオーダーしています。レベル変換ICのみSMDだったので、手ハンダはマイクロスコープ下のハンダ付け作業となり厳しいため、レベル変換ICのみ実装もオーダーしました。

図93.1
図92.1 基板写真

これに部品を実装したものを次の図に示します。

図93.2
図92.2 基板に部品を実装した

UltratoPMODボードに取り付けて正常に動作することを確認しました。


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