Fioxy

ZedBoard で FPGA プログラミング大全を進めるための変更点。個人的なメモ用。間違っている可能性が大きいので注意。

Constrants (xdc)

set_property -dict { PACKAGE_PIN Y9   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CLK }];
create_clock -period 10.000 -name sys_clk_pin -waveform {0.000 5.000} -add [get_ports CLK]

set_property -dict { PACKAGE_PIN P16    IOSTANDARD LVCMOS18 } [get_ports { RST }];

set_property -dict { PACKAGE_PIN AA19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_HS }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN Y19    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_VS }];

set_property -dict { PACKAGE_PIN Y21    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[0] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN Y20    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[1] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN AB20   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[2] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN AB19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[3] }];

set_property -dict { PACKAGE_PIN AB22   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[0] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN AA22   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[1] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN AB21   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[2] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN AA21   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[3] }];

set_property -dict { PACKAGE_PIN V20    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[0] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN U20    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[1] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN V19    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[2] }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN V18    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[3] }];

MMCME2_BASE

   MMCME2_BASE #(
      .BANDWIDTH("OPTIMIZED"),  // Jitter programming (OPTIMIZED, HIGH, LOW)
      .CLKFBOUT_MULT_F(18.0),   // 乗数M(2.000-64.000)
      .CLKFBOUT_PHASE(0.0),     // 位相(-360.000-360.000)
      .CLKIN1_PERIOD(5.0),      // CLKINの周期
      // CLKOUT0_DIVIDE - CLKOUT6_DIVIDE: Divide amount for each CLKOUT (1-128)
      .CLKOUT1_DIVIDE(1),
      .CLKOUT2_DIVIDE(1),
      .CLKOUT3_DIVIDE(1),
      .CLKOUT4_DIVIDE(1),
      .CLKOUT5_DIVIDE(1),
      .CLKOUT6_DIVIDE(1),
      .CLKOUT0_DIVIDE_F(35.75),  // 除数Q(1.000-128.000)
      // CLKOUT0_DUTY_CYCLE - CLKOUT6_DUTY_CYCLE: Duty cycle for each CLKOUT (0.01-0.99).
      .CLKOUT0_DUTY_CYCLE(0.5), // デューティ比
      .CLKOUT1_DUTY_CYCLE(0.5),
      .CLKOUT2_DUTY_CYCLE(0.5),
      .CLKOUT3_DUTY_CYCLE(0.5),
      .CLKOUT4_DUTY_CYCLE(0.5),
      .CLKOUT5_DUTY_CYCLE(0.5),
      .CLKOUT6_DUTY_CYCLE(0.5),
      // CLKOUT0_PHASE - CLKOUT6_PHASE: Phase offset for each CLKOUT (-360.000-360.000).
      .CLKOUT0_PHASE(0.0),
      .CLKOUT1_PHASE(0.0),
      .CLKOUT2_PHASE(0.0),
      .CLKOUT3_PHASE(0.0),
      .CLKOUT4_PHASE(0.0),
      .CLKOUT5_PHASE(0.0),
      .CLKOUT6_PHASE(0.0),
      .CLKOUT4_CASCADE("FALSE"), // Cascade CLKOUT4 counter with CLKOUT6 (FALSE, TRUE)
      .DIVCLK_DIVIDE(2),         // 除数D(1-106)
      .REF_JITTER1(0.0),         // Reference input jitter in UI (0.000-0.999).
      .STARTUP_WAIT("FALSE")     // Delays DONE until MMCM is locked (FALSE, TRUE)
   )

ZedBoard は 100MHz なので、書籍にのっていた数値をもとに、上のように変更した。

FPGA マガジンや、FPGA プログラミング大全に乗っていた、VGA 出力を ZedBoard で試してみる。

分周回路

reg [1:0] cnt;

always @( posedge clk, posedge reset ) begin
    if ( reset )
        cnt <= 2'h0;
    else
        cnt <= cnt + 2'h1;
end

assign pck = cnt[1];

Zedboard のクロックは 100MHz なので、これを4分周して 25MHz のクロックを作っている。cnt レジスタは 2bit で +1 でカウントアップをし続けることで、00 -> 01 -> 10 > 11 を繰り返す。この時、最上位 bit の cnt[1] が 1 になる立ち上がりを取得することで 1/4 のクロックが得られる？

ボードからの出力

FPGA からの出力はデジタル情報なので「ラダー抵抗」と呼ばれる仕組みを使って D-A 変換を行い、目的の電圧 (0.7V？) に変換してから VGA 端子で出力している。当たり前だが VGA はアナログなので、アナログに変換しないといけない。

参考

• FPGA マガジン No.7
• FPGA プログラミング大全 Xilinx編

Video Graphics Array
https://ja.wikipedia.org/wiki/Video_Graphics_Array
VGA端子
https://ja.wikipedia.org/wiki/VGA%E7%AB%AF%E5%AD%90
VGA Signal Timing
http://www.tinyvga.com/vga-timing
11 VGA Port
https://digilent.com/reference/programmable-logic/zybo/reference-manual
ちょっとTea Time!? VGAを調べてみる
http://www.easyaudiokit.com/bekkan2020/TeaTime8/vga.html
VGAモジュールの作成
http://www.arch.cs.kumamoto-u.ac.jp/~kuga/cad/exp/sys/2009/vga.html
分周器・CPUトップモジュール
https://sagara-works.jp/research-and-development/code-prescaler/

ZedBoard

ZedBoard Hardware User’s Guide
https://digilent.com/reference/_media/zedboard:zedboard_ug.pdf

ZedBoard
https://marsee101.web.fc2.com/zedboard.html
貴重な情報に感謝。(FPGAの部屋のまとめ サイト)

Zybo

Zybo Z7 Reference Manual
https://digilent.com/reference/programmable-logic/zybo-z7/reference-manual

Vitis HLSL

ユーザーガイド
https://www.xilinx.com/content/dam/xilinx/support/documents/sw_manuals_j/xilinx2021_1/ug1399-vitis-hls.pdf

Basic examples for Vitis HLS
https://github.com/Xilinx/Vitis-HLS-Introductory-Examples
Xilinx から Example が提供されていた。

HDMI 出力

ZYBO (Zynq) でHDMI出力をする
https://qiita.com/iwatake2222/items/b323e129f96426031f9f

ZyboのHDMI入出力デモをVitisから実行してみた
https://phys-higashi.com/1267/

ADV7511 HDMI トランスミッタ
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/ADV7511_Hardware_Users_Guide.pdf

FPGAでHDMIから画像出力！フリーのIPを使ってみた
https://misoji-engineer.com/archives/fpga-hdmi.html

TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)
http://www.hdmi-navi.com/tmds/

HDMI
https://www.fpga4fun.com/HDMI.html

ADV7511 Xilinx Evaluation Boards Reference Design
https://wiki.analog.com/resources/fpga/xilinx/kc705/adv7511

その他

FPGA オリジナルボード設計 ～Xilinx FPGA の I/O ピンの使い方～
https://www.acri.c.titech.ac.jp/wordpress/archives/1244

Chiselでビットコインマイナーを設計してみる
https://msyksphinz.hatenablog.com/entry/2019/03/22/040000

AXI Basics Xilinx
https://support.xilinx.com/s/article/1137753?language=ja

Vitis HLS と Vivado で作った回路を PYNQ を使って FPGA 上で動かすまで
https://blog.n-hassy.info/2021/05/vitis-hls-to-fpga-1/

準備

電源と電源の隣に PROG と書かれた USB があるので、そこに接続する。FPGA にコンフィグ（書き込む）場合は、PROG への接続が必要。また、FPGA から出力をする場合は、UART と書かれた USB にも接続が必要。USB ケーブルは2本使う。

プロジェクト作成

Vivado 起動後の画面で、Create Project からプロジェクトを作成。

Project name に任意のプロジェクト名を指定し、次の画面では「RTL Project」を選択して、この時「Do not specity sources at this time」にチェックをいれておく。

ターゲットとなるボードを選択できるので、Search に ZedBoard と入力して、表示された「ZedBoard Zynq Evaluation and Development Kit」を選択。もし、表示されなければ「Refresh」を押せば更新されるかも。

この後に「Finish」を押せばプロジェクトが作られる。

ファイルの追加

Flow Navigator の Add Sources を選択すると追加用のダイアログが開くので、「constraints」と「design sources」をそれぞれ選択して追加していく。

「Add Files」から、それぞれ .xdc (constraints) や .v (design sources) などを追加していく。この時「Copy Sources into project」のチェックは off。「Scan and add RTL include files into project」のチェックは on にしておく。

Bitstream の生成

Design Sources と Constraints を追加したら Bitstream を生成する。左側のパネルの「PROGRAM AND DEBUG」から「Generate Bitstrea」を押す。

FPGA に書き込む

FPGA を PC に接続して電源を入れる。「PROGRAM AND DEBUG」の Open Hardware Manager -> Auto Connect を選択する。上部に「Program Device」が出てくるので、選択すると書き込める。

Reference

FPGA プログラミング大全 Xilinx 編