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。

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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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。中国からボードが送られて来て、それに部品を実装し、今度はジョイスティックによりゲームを動作させることができました。

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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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。

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、

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。

追記:セールは2019.8.1で終了したとのこと、ただし、その後も時々セールを実施しているようです

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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。

これに部品を実装したものを次の図に示します。

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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ゲームの完成

以前の記事で実装したインベーダゲームを、Ultra96及びUltra96toPMODインタフェースボードの組み合わせと、ジョイスティックで動作させることができました。絵も音も、UltraZedボードと全く同様に出ています。

動画のフルキーボードは全く使用していません。Ultra96に上記PMODインタフェースボードを接続し、それにPMOD-VGAボード、PMOD-I2Sボード、自作PMODジョイスティックSWボードを接続し、動画中のジョイスティック及びスイッチにより操作しています。

共通シーケンス

ゲーム自体はまだ改良の余地があり、共通ステートシーケンスをソフトで言うところのサブルーチン化する等のリファクタリングを実施中です。図86.2にその一例を示します。パターンROMからいろいろな形、例えばインベーダ、自機、ベース、UFO等をVRAMに矩形転送するシーケンスは、多用されますが、それぞれにシーケンサを用意していると大変なロジック量になります。これをサブルーチンのように、{ソースX座標、ソースY座標、横幅、縦幅、デスティネーションX座標、デスティネーションY座標}の6個を入力パラメータとして、シーケンスを呼びだすことでシーケンスの共通化が可能です。呼び出す前には戻り番地をリターンレジスタに退避してから呼び出します。呼び出し先で戻るときにはリターンレジスタをステートに代入して戻ります。

本来はプロセッサのソフトウェアで実行する、十分複雑なシーケンス制御をハードウェアで実装してみて判明したのは、まさにプロセッサの進化のリバース(逆行)だということです。FSMシーケンスを共用化する目的で、前述のようにリターンレジスタを実装しましたが、これはプロセッサのリンクレジスタと同じです。

水平マイクロ

現在マイクロプログラム処理をあまり見なくなったのは論理合成のためだと思います。論理合成が無い時代はハードウェア論理を変更するのは大変な作業で、それを簡単にするために、FSMではなくマイクロプログラム処理を考え、ROMの内容を書き換えることで、処理の変更を行ったわけです。今回のFSMシーケンス記述は、いわば、インベーダ処理プロセッサの超水平マイクロを書いているようなものです。ちなみに水平マイクロには、普通プロセッサレベルのISAには存在しない、マルチウェイ分岐等の強力な命令があります。

ESDAツール

最近ではSDSoCなりVivado-HLSなりが使えるので、Cで書こうかとも思いましたが、今回はVerilogで記述してみました。VerilogはCに対するアセンブラとも言われますが、コード量的にはそれほどの差はありません。20年ほど前にESDAツールがあったのですが、最近はどこへ行ってしまったのでしょうか。動作合成が進んだのでなくなったのかもしれません。同じアルゴリズムをCで書いてみると、ESDAが不要かどうかが分かると思います。

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Ultra96対応だけであれば変換ボードに吸収しても良いのですが、 スイッチ類をUltraZedボードに差し替えて使用する場合には、前述のとおりインタフェースが必要になります。その理由は、遠い場所にあるスイッチは単なるロジックではなく電装線路扱いとしなければ、反射が起き、正常に動作しないためです。

この反射を抑えるために、図85.1のような回路を設計しました。

このボードを作成しました。手ハンダでも作成できるようにSMDは使用しないようにしています。

EagleUpを用いて3D化します。

前々回作成したUltra96からPMODへのインタフェースボードと組み合わせ、レンダリングしたものが図85.4です。フラットケーブルの先(反対側)には前回のジョイスティック及びスイッチを接続します。

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ジョイスティックとスイッチの入力装置を作成します。ジョイスティックもプッシュスイッチも単なるマイクロスイッチですが、問題は遠いところにあることです。例えば線長が1m程度もあります。そのままだと反射が激しくなり、電装線路の終端が必要になります。今回の場合終端しなければ、しばしば50MHz程度の定常波が発生しました。

写真のジョイスティックやプッシュスイッチはパーツショップで1,000円程度で購入できます。またそれらを取り付ける台は100円ショップで半透明のPPケースを購入しました。以下に、ボード以外で必要な部品表を示します。

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生基板

今回はSeeed Fusion PCBという会社に基板を発注し、約22日で届きました。製造に13.16日、配送は最安のシンガポール郵便で9.67日となっています。

費用は送料込みで$7.9でした。送料込み約860円くらいで試作基板が5枚作成できるので、ユニバーサルボード一枚が200円前後することを考えると、非常にお得です。

組み立て

部品をハンダ付けにより実装していきます。試作のため手ハンダを前提としたことにより、SMDを極力避けたのですが、レベル変換ICのTXS0108EPWRはDIPの製品が存在せず、SMDとなってしまいました。

SMDのアマチュア的ハンダ付けには、手ハンダ、ホットプレート法、トースター法等がありますが、今回は手ハンダでやってみます。手付けでなんとかきれいに付けることができました。図83.3にTXS0108EPWRの手ハンダ実装後の顕微鏡写真を示します。

以下の動画を参考にさせて頂きました。
https://www.youtube.com/watch?v=5uiroWBkdFY

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3D化による検討

基板と部品の配置を行うために3D化をします。これにより部品どうしの干渉などが発見できます。そのためには3D CADと3D部品が必要ですが、ここでは無償で使用可能なSketch Upを使用してみました。さらにEAGLEからSketch UPへのプラグインが必要となります。

そのプラグインの場所はここです。 https://eagleup.wordpress.com/

ImageMagickを入手してパスを記録しておいてください。ImageMagickのインストール時には、レガシーツール(convert.exe等)もインストールするように、チェックしておいてください。

EAGLEのULP->Browseをクリックし、EagleUpを実行します。最初の一度だけパスを表示する画面が出るので、必要な情報を入力します。

EAGLEからULPを開き、EagleUPを実行すると、SketchUpのプラグインで読み込む情報(.eupファイル)が生成されます。SketchUpを立ち上げ、プラグインを実行し、今作成された.eupファイルをロードしたものが図82.2です。ただし部品が一部未搭載です。

レンダリングしたものを図82.3に示します。ただし部品が一部未搭載です。

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プロトタイプボード

以前UltraZedボードに実装したスペースインベーダーを移植します。

Ultra96にはPMODインタフェースが無いため、PMODインタフェースを持つVGAインタフェースボードとI2Sインタフェースボードを接続するためのインタフェースボードを作成します。

仕様

Ultra96にPMOD仕様カードを接続するために、PMODコネクタだけでなく、レベル変換ICを搭載します。PMODは3.3V電源が標準ですが、Ultra96の低速インタフェースは1.8V電源であるためです。さらにUltraZedにも接続可能なように設計します。もともとUltraZedはPMODインタフェースが搭載されているので、論理的な意味は無いのですが、PMODカードが複数あり、抜き差しする手間を減らすために、共用にしてみました。

サプライヤ

プロトタイプボードを作成する場合には、これもひと昔前はワイアラッピングやハンダ付けで作成したものですが、最近では10ドル以下で5枚程度のPCBを作成できる工場が現れてきました。これだとユニバーサル基板で作成したほうが高くつくくらいです。送料は別として、

https://www.pcbway.com/⇒基板10枚で5USD
https://www.fusionpcb.jp/⇒基板10枚で4.9USD
https://www.boktech.cc/⇒基板5枚で1USD
https://jlcpcb.com/⇒基板10枚で2USD

Boktechはなんと5枚製造して1ドルという、ユニバーサル基板よりも安い金額ですが、送料が別途20ドル程度かかるので、今回はFusion PCBにしてみました。10枚製造して送料込みで7.9ドルです。

PCB設計ツール

PCB設計ツールも無償のものがあり、無償の範囲で十分実用的なPCBが設計できます。今回はEAGLEというPCB設計ツールをインタフェースボードの設計に使用してみました。

PCB製造業者とはGarberフォーマットのファイルでインタフェースしますが、設計が完了したレイアウトデータをビュワーにかけたものが図81.2です。

http://mayhewlabs.com/webGerber/

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