Spaß mit FPGAs

Dieses Projekt befindet sich in der Evaluationsphase. Es folgt die Beschaffungsphase. Dann folgt die Spaß-mit-FPGAs-Phase.

Ein alter Spartan-3 FPGA-Entwicklerboard

Das Projekt Spaß mit FPGAs ist eine konsequente Fortführung der aus der Spielerei mit Arduinos und Raspberry Pis gesammelten Erfahrungen.

Eigenstudium

phip hilft bei Fragen und leiht Bücher zum Lernen aus.

Schaltungslogik

Grundlende Begriffe wie Gatter, Flipflop, XOR, uvm … sollten keine Fremdworte sein

Hardwarebeschreibungssprache

Um digitale Schaltungen in einem FPGA realisieren zu können, sind Kenntnisse einer Hardwarebeschreibungssprache (Hardware Description Language, HDL) notwendig, mit der die Logikgatter entworfen werden. Verilog und VHDL haben sich als HDL etabliert.

VHDL

VHDL ist in Europa sehr beliebt. Zur Übersicht der Sprache empfehlen sich folgende Quellen:

• Andreas Mäder – VHDL Kompakt und das Hamburg VHDL Archiv
• VHDL-Tutorium auf Wikibooks
• Pong P. Chu – FPGA Prototyping by VHDL Examples: Xilinx Spartan-3 Version (2008), ISBN 978-0-470-18531-5
• Peter J. Ashenden – The Designer’s Guide to VHDL, Third Edition (2008), ISBN 978-0-12-088785-9

Hardware

Für dieses Projekt muss mindestens ein FPGA beschaffen werden. Hier Auflistung der bisher gefundenen, günstigen Angebote.

Name	Logic Cells	DSP Slices	Flipflops	Verteilter RAM (kb)	Block-RAM (kb)	6,6 GB/s Transceiver	Preis (Modul zum Löten)	Lötbare I/O Pins	Preis (Entwicklerboard)	herausgeführter I/O
XC7A15T-1CSG324C	16.640	45	20.800	200	900	4	Xilinx Artix-7 2x50 Pin FPGA-Modul 64,26 €	87
XC7A35T-2CSG324C	33.280	90	41.600	400	1.800	4	Xilinx Artix-7 2x50 Pin FPGA-Modul 76,16 €	87	Basys3 Artix-7 FPGA Board 132,92 € 83,87 €*	Type-A USB VGA 4 × 12-pin_Pmod
XC7A100T-2CSG324C	101.440	240	126,800	1.188	4.860	8	Xilinx Artix-7 2x50 Pin FPGA-Modul 117,81 €	87	Nexys 4 FPGA Board 339,71 € 190,03 €* 168,80 €*	Type-A USB SD card 12-bit VGA 3-Achsen Accelerometer, …

mit * markierte Preise gelten nur für Beschaffung als Student/Akademiker

Die Entwicklerboards haben noch RAM und andere Faxen aufgelötet. Man hat die Qual der Wahl zwischen Chip (alles selber machen [lassen]), Modul (nur noch Pins verbinden) und Entwicklerboard (alles Fertig vorgekaut), je nach Anwendung (Lernen/Entwickeln/Projektimplementierung)

Obwohl die Artix-7 FPGAs von Xilinx die „kleinsten“ FPGAs sind, haben sie für diesen Preis schon ganz viel zu bieten. Artix-7 FPGAs haben einiges direkt im Chip implementiert, was die Schaltungszeit erheblich erhöht und logische Zellen für andere Zwecke einspart, z. B. PCIe v2.0 mit 4 Lanes = 4×5 Gb/s (damit kann man PCIe-Karten an den FPGA anbinden oder den FPGA in einen PCIe-Slot stecken), Ver-/Entschlüsselung mit 256-bit AES; an den Pins können 211 Gb/s (Duplex) übertragen werden, die im FPGA enthaltenen Transceiver können 6.6 Gb/s übertragen, es ist sogar ein 12-bit 1 MSP/s (500 kHz) ADC enthalten (reicht zum Empfang eines FM Radiosenders mittels SDR). Kintex und Virtex können noch mehr, aber das ist eine andere Welt.

Werkzeuge

Als Freie Software zum Lernen von VHDL und als Testumgebung der geschriebenen Schaltungen bietet sich GHDL in Verbindung mit GTK-Wave an.

Für die Entwicklung auf einem FPGA sind die Tools der Hersteller leider immer noch die erste Wahl.

(…)

Projektstatus

FPGA beschaffen

FPGA-Modul mit Spannungsversorgung verlöten