新しいタイプのハッカソンがキエフでテストされました。ロシアでこの経験を繰り返す予定です

新しいタイプのハッカソンがキエフ工科大学で開催され、システムのソフトウェア（C、アセンブラー）と回路（Verilog）の両方の部分の同時開発が、再構成可能論理マイクロ回路（FPGA）での実装用に合成されました。 このハッカソンは、キエフ国立大学の部門の1つと、Apple iPhone内のPowerVRグラフィックプロセッサの開発者であるImagination Technologiesによってもサポートされていました。 ハッカソンの結果は予想を超えており（詳細は下記）、他の場所、特にトムスクとノボシビルスクでそれを繰り返す計画が開発されています。







MIPSfpga KPI ハッカソンは、通常ハッカソンでは参加者が単純にプログラム（たとえばSaaSソリューション）するか、既製の固定回路からデバイスを作成してプログラムする（Arduino、STM32 Discovery）という意味で実験的でした。 ここで、参加者はプログラムを作成し、レジスタ転送レベル（RTL）でインターフェイスユニットである回路を開発した後、このユニットをMIPS microAptiv UPプロセッサコアとAHB-Liteバスを備えた合成システムに組み込み 、このシステムを実装しましたFPGA



ラップトップの画面、FPGAボード、概念的には次のようになります。

なぜそのようなタスクが必要なのですか？

このような演習は、21世紀のシステムオンチップ（SoC-システムオンチップ、SoC）の時代に必要な回路の開発とプログラミングの両方に精通したシステムエンジニアの育成に役立ちます。 また、コーヒーメーカーから衛星まで、さまざまな組み込みシステムに見られるような、特殊なASIC（特定用途向け集積回路）のプロトタイピングへの道でもあります。 その後、KPIおよびKNUのウクライナの研究者は、欧州のサービスEuropracticeと協力して 、 MPWシャトルを介して工場で実験用チップを生産できるようになります。 同時に、研究者が商業的に興味深いものを思いついたら、そのようなプロトタイプを使用してベンチャーキャピタルを引き付け、特定のニッチ（たとえば、 モノのインターネットの「スマートセンサー」のニッチ）にスタートアップを作成できます。

ハッカソンの写真とビデオ

MIPSfpgaハッカソンの前に、3日間のNanometer ASICワークショップとMIPSfpgaレクチャーがありました 。 100人以上がNanometer ASICに登録し、80人以上が参加しました。











かなり多くの人々がMIPSfpgaについての講義に参加しましたが、調査の結果、彼らはVerilog、アーキテクチャおよびマイクロアーキテクチャに関する知識をかなり所有していることがわかりました。







最もやる気がハッカソンに残った：











ハッカソンの重要な主催者のFacebook（ VіdkritaLaboratory of Electronics Lampa KPI ）から：

...その間、勝者の1人であるデニスソルダトフのビデオプレーヤーがあります。デニスソルダトフは、デバイスの開発を最初に完了し、プレゼントとしてDE0-CVボードとブランドのUSBフラッシュドライブMIPSfpgaを受け取りました。



Denisは、Digilent超音波距離計（https://goo.gl/Txoxl6）をMIPSfpgaシステムオンチップに統合しました。 ハードウェアuartを介してセンサーで動作し、AMBAバスを介してMIPSfpgaアドレス空間にマップされる制御レジスターを持つVerilogでインターフェースモジュールを作成しました。 デニスは、上記のレジスタからセンサーの読み取り値を読み取り、しきい値を超えたときに特定の周波数の音声信号を生成する制御プログラムも作成しました。 ...

別の優勝チームとの写真！



Sergey SachovとValera Marchenkoは、DigilentのキーボードオンチップMIPSfpgaキーボード（https://goo.gl/Xmbba6）を統合しました。 連中は、16ピンインターフェイスを介してキーボードで動作し、AMBAバスを介してMIPSfpgaアドレス空間にマップされた押されたキーコードを含むレジスタを備えたインターフェイスモジュールをVerilogに書き込みました。 また、押されたキーのコードを前述のレジスタから読み取り、キーに対応する番号を7セグメントインジケーターに表示する制御プログラムも作成されました。

そしてもう1つのコマンド：







キエフのNanometer ASICおよびMIPSfpgaの写真を50枚表示



それでは、技術的な部分について話しましょう。

技術部分の予備的な説明

Verilog、ASIC、およびFPGAが何であるかをよく知らない読者への言葉：



Geektimesの投稿から「Microelectronics Squires。 San Francisco Electronics Design Conferenceのビデオ '' ：

これまで、マイクロ電子プロジェクトの集大成である工場でのマイクロ回路の製造について説明してきました。 しかし、そのようなプロジェクトはどのように始まりますか？



過去25年間、マイクロ回路の設計は、ほとんどの場合、機器記述Verilog（[以前]ヨーロッパおよび軍隊-VHDL）の言語で記述され、その後、特別なプログラム（論理合成）が設計をワイヤと論理プリミティブのグラフ、別のプログラム（静的タイミング解析）は、設計者に速度バジェットに適合するかどうかを伝え、3番目のプログラム（配置配線）はこの設計をチップのサイトに配置します。



デザインがすべての段階を通過するとき：ベリロコーディング、デバッグ、検証、合成、静的タイミング解析、フロアプラン、配置配線、寄生抽出など -工場に送信されるGDSIIというファイルが判明し、工場がチップを焼きます。 このタイプの最も有名な工場は、台湾半導体製造会社またはTSMCが所有しています。

Habrahabrの投稿からFPGAを使用して鉄の開発を開始する方法-ステップバイステップの手順 ：

最も単純なバージョンでは、FPGAは同種のセルのマトリックスで構成され、各セルはコンフィギュレーションメモリのビットに接続されたマルチプレクサーを使用して機能に変更できます。 1つのセルは、4つの入力と1つの出力を持つANDゲートになり、別のセルはシングルビットレジスタなどになります。 ビットシーケンスをメモリからコンフィギュレーションメモリにロードします。特定の電子回路は、プロセッサ、ディスプレイコントローラなどのFPGAで形成されます。



FPGA / FPGAはプロセッサーではありません.FPGAの「プログラミング」（FPGAの構成メモリーを満たす）によって電子回路（ハードウェア）を作成しますが、プロセッサー（固定ハードウェア）のプログラミング時には、それに書かれた一連のプログラム命令のチェーンをスリップします（ソフトウェア）。

このような資料をゼロから学習したい場合は、非常に人気のある教科書であるHarris＆Harrisを無料でダウンロードできます。



教科書が大きすぎて基本的な概念をすぐに理解したい場合は、教師がHarris＆Harrisに基づいて講義を行うのに役立つスライドのセット（無料）をダウンロードできます 。 これらのスライドは、教科書に加えて、独学と主題への迅速な紹介にも効果的です。



そして最後に、読者の希望に応じて、ハリスとハリスの無料の電子版に加えて、ハリスとハリスの紙版が大Year日にリリースされますが、無料ではありません（セルロースは電子よりも高価です）。







True HarrisとHarrisは、主にフロントエンド（つまり、デジタル回路とマイクロアーキテクチャの論理設計）を学習する場合に役立ちます。 設計と制作の物理的な部分に関する教育プログラムを取得したい場合は、Charles Danchekのスライドのロシア語への翻訳をダウンロードできます 。



さらに、eNANO（RUSNANOの教育プログラムの娘）は、Charles Danchekの講義のビデオを（同時にロシア語に翻訳して） このディレクトリに追加する予定です。







しかし、KPIのハッカソンに戻ります。

ハッカソン組織

ハッカソンの主な主催者は、KPIの電子学部の電子計算機の設計部門、電子ランプのKPIのVidkrita研究所 、 学生室Belka 、およびキエフのタラスシェフチェンコ国立大学の無線物理学、電子工学およびコンピューターシステム学科のコンピューター工学部でした。



左の写真、KNU アレクサンダーバラバノフキエフ大学准教授は、ハリスとハリスの一部をロシア語に翻訳し、MIPSfpga、ナノメーターASIC、および接続されたMCUの重要な部分も翻訳しました。 右側にはKPIランプのヘッドであるEvgeny Korotkyがいます。

参加者の例-光センサー

例として、ハッカソンの参加者には、光センサーを統合するためのコード-Digilent PmodALS-Ambient Light Sensorが示されました。 これはセンサーの外観です：







センサーは、シリアルSPIプロトコルを使用してデータを送信します。 センサーが使用するプロトコルのバリアントは非常に単純です。 製造会社DigilentのWebサイトのドキュメントに記載されている説明は、2段落のテキストのみです。

PDF

センサープロトコル（SPI）はシリアルであり、プロセッサバスプロトコル（AHB-Lite）はパラレルであることに注意してください。 比較する：



SPIを使用して、データはビットごとに送受信されます。 これにより、信号の数が節約されます。これは、マイクロ回路間でデータを転送するプロトコルにとって重要です。







AHB-Liteプロトコルを使用して、データビットは並行して送信されます。 さらに、このプロトコルのデータはアドレスに関連付けられており、アドレスビットも並行して送信されます。 AHB-Liteバスの読み取りおよび書き込みトランザクション信号の一部の図を以下に示します。



読書：







記録：







センサーをシステムに統合するには、3つのコンポーネントを設計する必要があります。

1. SPIプロトコルを使用してデータを受信し、現在の値のレジスタに保存するハードウェアモジュール。 このモジュールの検証のコードは、ファイル内および以下にあります。
   
   
   
   
2. ソフトウェアによるデータ処理のために、AHB-Liteバスを介してこのレジスタからプロセッサコアにデータを転送するための、いわばグルーコードの検証コード。 行`ifdef MFP_DEMO_LIGHT_SENSORで検索を行うと、ディレクトリファイルで見つけることができます。 。
   
   
   
   
3. たとえば、光センサーからデータを受信し、何らかの方法でそれを使用するプロセッサコアで実行されているソフトウェアは、FPGAボード上の7セグメントインジケーターに輝度値を表示します。 これは、標準のGCCツールチェーンを使用してコンパイルする小さなCプログラムで、アセンブラーで記述された初期化コードへのリンクです 。 こちらを参照してください 。

SPIプロトコルを介してデータを受信し、それらを現在の値レジスタに保存するハードウェアモジュールの検証上のコード：







アルテラQuartus IIバージョン16.0を使用した論理合成中に、このコードがどのコードになるかを以下に示します（分析後、マッピングおよび最適化前）。

結論と将来の計画

MIPSfpga Hackathonは、関係者全員が予想以上に興味深いイベントであることが判明しました。

1. ハッカソンはそれほど簡単ではありませんでした-すべてがフィニッシュラインに到達したわけではありませんが、半分以下のチーム
2. ハッカソンはそれほど難しくありませんでした-自信を持って2チームが来ました。
3. ハッカソンのプロセス中に、参加者は初心者とより高度な開発者の両方にとって多くの間違いを犯しました。
   
   
   
   
   1. 初心者の些細な間違い：混乱する入力と出力
   2. Verilogの動作メカニズムの誤解：デルタサイクルの概念を理解していないため、クロック信号サイクルがシフトし、外部信号が連続的な割り当てに依存する信号への割り当てに応じて、常に組み合わせブロック内の外部信号が即座に変化することが予想される
   3. Register Transfer Level Methodology（RTL）方法論の誤解： 「always @（posedge control_signal）...」ではなく「always @（posedge control_signal）...」で制御信号を使用
   4. 不適切なタイミング制約
   5. MIPSfpgaパッケージコードにもエラーが見つかりました！

したがって、他の国でもこのようなハッカソンを繰り返すという考えがあります。 ロシアでの繰り返しの場合：モスクワでは、このようなイベントに使用できる16個のアルテラ/テラシックDE0-CVボードがあります。 カザフスタンとウクライナでは、何かを考えることもできます。 アイデアがあれば、コメントで報告してください。