第3回: 実習(1): FPGAへの論理回路の実装

今回は、VHDLを用いて記述した回路を、実際に動作する 論理回路として動作をさせてみましょう。
この演習では、石川高専オリジナルボードを使います。

この装置は、設計した論理回路を自由に書き込むことができる FPGA (Field Programmable Gate Array)と呼ばれるLSIの一種で、 Xilinx社のSpartan6 (XC6SLX16)というLSIが搭載されていて、 さらに入力、出力として使うスイッチやLEDなどを サブボードとして用途に合わせて差し替えることができます。 また設計した論理回路の情報は、PCからUSB接続の書き込み器で 書き込むことができます。

今回の演習では、"Sub3"というラベルの貼ってある、 7セグメントLEDが載っているサブボードをさして使います。

練習: NOTゲート

プロジェクトの作成

PCを起動後、デスクトップのProject Navigatorのアイコン、 またはスタートメニューから、 論理設計用のソフトウエアXilinx ISE Project Navigatorを起動します。

こんな感じの画面が出るはずです。

これから設計していく論理回路は、「プロジェクト」という単位で 扱います。 早速、新しいプロジェクトを作ってみましょう。 まずは手始めに、NOTゲート(インバータ)1個を、入力にスイッチA(SW_A)、 出力にLED_Aをつないでみることにします。 ついでに、もう1個のスイッチB(SW_B)を、そのままLED_Bにつないだ回路も 作ってみることにします。 つまり今回つくる回路は、こんな感じになります。

なお他のボードとの互換性の都合上、 スイッチA, Bは、それぞれSW(4), SW(5)、 LED_A, LED_Bは、それぞれLED(0), LED(1)という名前になります。

File→New Projectで、新しいプロジェクトの作成を開始します。

プロジェクトの名前やファイルを置くディレクトリ名などを 入力します。 この例では、プロジェクトの名前にinvとしています。 ファイルを置くディレクトリは、 とりあえずは自分のPC内("C:￥"など)に適当なフォルダ("VHDL"など)をつくり、 その中に作っていってください。 ※ただし演習終了後にPCをシャットダウンする前に、演習で作ったこれらのファイルをファイルサーバに保存しておくのを忘れずに!

続いて、今回使うボードに載っている、設計した論理回路を 書き込むFPGAとしてSpartan6 (XC6SLX16)を選びます。 そのほかにも、このXC6SLX16のパッケージ、ピン数などの情報を 選ぶ必要がありますので、↑この図の通りに選んでおきます。 特に、Deviceのところで"XC6SLX16"を選んでいるか注意。

↑選択が終わったら、Nextを押すと、とりあえずプロジェクトが作成されます。

続いて、設計する回路を記述するVHDLファイルを作成します。

↑今回は、新しいファイルを作りますので、 ここで新しいファイルを作るために、 左上の方のFPGAマーク(xc6slx16-...と書いてある)を右クリックして New Sourceを選びます。

新しく作成するファイルの種類とファイル名を入力します。 今回は、VHDLで回路を設計しますのでVHDL Moduleを選び、 ファイル名は、inv.vhdとしておきます。 Next> ボタンで次へ。

続いて、この回路全体の入力・出力を定義します。 この例では、入力(in)としてSWという名前の端子と、 出力(out)としてLEDという名前の端子を使うことを指定しています。 なおサブボード上にはスイッチが6個あります(ただし今回使うのは2個だけ)。 このように複数の信号をまとめて配列のように扱うときには、 ↑のように"Bus"にチェックを入れ、その添え字をMSB(最大値)とLSB(最小値:通常は0)に 書いておきます。 この例では、実際にはSW(0)～SW(5)の6本とLED(0)～LED(1)の2本が使われます。

これで、これから設計する回路のVHDLファイルの定義がすみましたので、 ここで確認し、Finishボタンを押します。

これで、新しく回路の設計をはじめる準備が整いました。

↑画面内のinv.vhdタブを選んでみると、 いまから設計する回路invを記述するVHDLファイルで、 必要な箇所(おまじないや、entity記述など)が 既に記入されていることがわかります。 これは、プロジェクトの作成時に、使う入出力の名前などを 指定していたので、それにあわせて、VHDLのお決まりの記述の部分を 雛形(テンプレート)として自動的に作成されたのでした。 便利ですね。

では、本題であるNOTゲートを、↑このように記入をしておきましょう。 注目しておくべき点をいくつか。

シミュレーション

次に、設計した回路を、テストベンチ(検証のために与える入力信号)を 用いてシミュレーションし、正しく動作するかを検証してみることにします。

テストベンチを記述するVHDLファイルを新規に作成するため、 左上の方の、View:のところでSimulationを選択し、 設計している回路のファイルであるinvを 右クリックし、New Sourceを選びます。

作成するファイルとして、VHDL TestBench、ファイル名をinv_testとして、Next。

いまから作成しようとするテストベンチが、どの回路を対象とするものか、 を選ぶ画面になりますが、今回はinvしかないので、そのままNext。

テストベンチのVHDLファイルを作成する準備が整ったので、Finish。

テストベンチファイルinv_test.vhdが開かれている状態に なっているはずですが、さきほどの回路本体のVHDLファイルのときと 同様に、おまじないなどの必要箇所は、すでに記入された状態に なっています。便利ですね。
ただし余計なお世話もあって、次回の演習で扱う順序回路向けに、 クロック信号関係の記述も、自動で入ってしまいます。 しかし今回の回路ではクロック信号は使いませんので、 これらの記述はコメントアウト(行頭に「--」をつける)するか 削除しておきましょう。 ↑の例では69～75行目が該当しますので、これと同様の記述を見つけて コメントアウトするか削除しておいてください。

シミュレーションでは、回路に信号を与え、それに対して出てくる 出力を観察して、それが所望のものであるかを確認するわけですが、 回路に与える信号は、「stim_proc」以降(この例では80行目から)に記述します。

今回は入力がSW(4), SW(5)の2つで、それぞれ0 or 1の値ですので、 ぜんぶで4通りの組み合わせがあります。 これぐらいの規模であれば、全ての組み合わせを与えて確認するのがよいでしょう。 というわけで、↑のように記述してみます。 これは、81行目から順に以下のような信号を与える記述になっていることを (なんとなくでよいので)理解しておきましょう。

これでテストベンチの記述が終わりましたので、 テストベンチであるinv_testを選択した状態で、 下のProcesses画面内のSimulate Behavioral Modelを 右クリックし、Runを選んでシミュレーションを開始します。 このとき、記述した回路やテストベンチ等に記述ミスがあると エラーメッセージが表示されますので、エラーメッセージを参照しながら修正します。

新しい画面が立ち上がり、シミュレーション結果が表示されます。 ただし、最初は終わった後あたりの時刻の波形が表示されていますので、 ツールバー内Zoom to Full Viewを押して 波形全体を表示します。

入力信号SWは、SW(0)～SW(5)の6本がまとめて表示されていますが、 ↑のように信号目SWの左の△マークをクリックすると、 展開して信号を1本ずつ確認することができます。
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今回のテストベンチで与えた信号では、400nsまでのシミュレーションで 十分でしたので、 シミュレーションの実行も、この400nsまでにしておきましょう。 ↑図のように、画面右上の方で終了時間を400nsに変更した後、 Restart(シミュレーションをリセット)→ Run for the time specified... (指定時刻までシミュレーションを実行)の順で、 シミュレーションを実行すると、結果が表示されます。

表示されれている入力・出力の信号が、所望の者であるかを確認しておきましょう。

論理合成

シミュレーションで、設計した回路が正しいことが確認できたら、 実際にFPGAボード(上のFPGA)に書き込んで動作させてみましょう。

まず、論理合成(コンパイル)するために、 左上のView:をImplementationに選んでおきます。 続いて、「設定ファイル」を作成します。

この「設定ファイル」とは、使う入出力(SW(4)とかLED(0)とか)が、 ボード上のFPGAのどの「ピン(端子)」につながっているか、を 定義するものです。 つまりFPGAの各入出力端子とスイッチやLEDは、すでにボード上で ハードウエア的に「配線」されていますので、 VHDLで記述した回路を動作させるために、この実際の配線にあわせる、 という設定を指定するわけです。

今回はすでにこのボード用の「設定ファイル」を用意してありますので、 以下のダウンロードして保存しておいてください。

このファイルを、設計している回路に割り当てます。 回路のVHDLファイルであるinvを 右クリック→Add Copy of Sourceを選び、 さきほどダウンロードしたsub3.ucfを選んでおきます。

そのsub3.ucfが読み込まれ、内容がチェックされます。 (OKなら緑のチェックマークがつく)

↑のように、回路本体のinv.vhdに、設定ファイルsub3.ucfが 割り当てられていることが確認できいます。

続いて、左下のProcesses:内で、 Generate Programming Fileをダブルクリックすると 論理合成(コンパイル)が実行されます。

少し時間がかかりますが、↑のように緑のチェックマークがついたら 完了です。

エラーがあった場合などで論理合成(コンパイル)に失敗した場合は、 ↑のように赤の×マークがつくので、エラーメッセージをみながら inv.vhdの修正をします。

エラーメッセージは英語ですが、要点だけ読めばよいです。 例えば↑の例では、1つめのエラーとして 「41行目の"LED"という単語の近くに文法(Syntax)エラーがあるよ」 となっていて、たしかに1つ前の40行目の最後にセミコロン(;)がないのが 原因であることがわかります。

書き込み

いよいよ論理合成(コンパイル)が終わって完成した回路を、 ボードに書き込んで動作させてみましょう。 書き込み機は2種類ありますので、各自が使うものにあわせて接続をしてください。 接続が終わったら、ボードと書き込み機をそれぞれUSBケーブルでPCと接続します。

続いて、さきほどの"Generate Programming File"のすぐ下の Configure Target Deviceをダブルクリックします。

ボードの書き込み情報がないよ(初めて使うのであたりまえですが)と 言われるので、OK。

書き込み画面になるので、左上のBoundary Scanを ダブルクリック。

まっさらな画面がでるので、 そこで右クリック→Initialize Chainを選択。

続いて、ボード上のFPGAに回路のファイルを割り当てますか？と 聞かれますが、せっかく作った回路を動作させるたけですから、もちろんYes。

論理合成(コンパイル)の結果のファイルを指定する画面になるので、 inv.bitを選んでおきます。(これが論理合成が終わった回路の定義ファイル)

続いて、こんな画面が出ますが、とりあえずNo。 (FPGAに書き込んだ回路は電源OFFで消えてしまいますが、それをボード上の ROMに保存するかの選択ですが、とりあえずは使いません)

準備が整ったことの確認画面なので、OK。

これで準備が整いました。

緑の四角のFPGAアイコンを選択した状態で、ツールバー内の Programを押すと、作った回路が転送され、動作をはじめます。 ボード上のスイッチA, Bを押して、LED A, Bがどのように光るかを 確認してみましょう。 設計した回路どおりの動作になっているはずです。

実践: 7セグメントLED

もう少し複雑な回路として、7セグメントデコーダをつくってみましょう。 サブボード上の7セグメントは、8本の「SG」という出力信号につながっていて、 それぞれ↓のようにつながっています。

例えばSG(1)とSG(2)を"1"、それ以外に"0"を出力すると、 「1」という数字を表示できることになります。 したがって、「0」～「9」(あるいは16進数も含めて 10～15に対応する「A」～「F」も)の数字・文字を表示できるように、 表示したい値(0～9/15なので4ビット)を与える入力dのそれぞれに対して、 出力するべきSG(0)～SG(7)の値の対応をあらかじめ求めて 真理値表をつくっておけば、それをVHDLで記述すればよいことになります。 (まさに前回みてきたデコーダの記述が流用できます)

基本的にはさきほどのNOTゲートと同様の手順で 新しく回路をつくります。 (時間が足りないかもしれませんが、 ぜひシミュレーション、実際の動作までしてみましょう) 違う点のポイントだけあげておきます。

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