), а джентлемен из НИИСИ по имени Антон Павлов написал заметку про его собственные улучшения MIPSfpga . Так как профессора встретили новый продукт для обучения студентов электронике в целом положительно, то возникла идея помочь начинаю платами, причем сразу у нескольких людей и организаций.
В частности, в честь Нового Года я в кооперации с Виталием Кравченко из univeda.ru планируем небольшую раздачу слонов, то бишь бесплатных плат Terasic DE0-CV с FPGA Altera Cyclone V. Так что вы сможете повторить подвиг Антона Павлова. Так как данная конкретная раздача делается _не_ на деньги Imagination Technologies, не на деньги Altera и не на деньги НПЦ «Элвис», а на деньги частных благотворителей, включая меня лично, то слоны будут раздаваться с довольно конкретными условиями, описанными ниже.
Цели мероприятия:
1. Повысить уровень вовлеченности российских вузов в мировые исследования в области микроархитектуры процессоров, проектирования СнК и гетерогенных многоядерных систем
2. Повысить количество русских текстов на MIPS Insider дабы посетители из международной электронной промышленности и academia начинали понимать, что русские идут
3. Изготовить, от лица коммьюнити, кучу учебных материалов вокруг MIPSfpga, которыми могли бы пользоваться как преподаватели российских вузов, так и преподаватели университетов в других странах - США, Японии, Китае и т.д.
Условия:
1. Желательно чтобы получатель платы был преподавателем, аспирантом или студентом российского вуза.
2. Желательно, чтобы этим вузом не был МГУ, МФТИ, МИФИ, МИЭТ и ИТМО, которые могут получить эти платы из других источников.
3. Очень желательно, чтобы перед получением платы креативный товарищ прислал бы мне не только описание проекта, но и код на Verilog или VHDL, C и/или ассемблере, с которым он симулировал прототип будущей синтезированной системы в среде ModelSim или Icarus. Временные диаграммы тоже приветствуются.
4. Код проекта по завершению выкладывается на http://github.com/MIPSfpga - см. в качестве примера http://github.com/MIPSfpga/mipsfpga-plus
5. Там же описывается в секции Wiki:
5.1. Что находится в каждом файле
5.2. Иерархия модулей хардверной части
5.3. Как симулировать - инструкция со скриншотами
5.4. Временные диаграммы симуляции
5.5. Как синтезировать - инструкция со скриншотами
5.6. Результаты синтеза - размер и максимальная частота
5.7. Описание софтверной части
5.8. Фотографии работающей платы FPGA
6. Это же выкладывается на в форме статьи
7. Это же выкладывается на http://silicon-russia.com
8. Это же выкладывается на http://community.imgtec.com/forums/cat/mips-insider/mipsfpga
9. Язык (6), (7), (8) может быть русский или английский
10. Если вы ничего не делаете с платой месяц, она у вас изымается и передается кому-нибудь еще
11. Если мы (я и UnivEDA) будем делать какие-либо мероприятия в России типа конкурсов или трейнингов, мы у вас плату тоже на некоторое время заберем назад
Примеры проектов с платами:
1. Интерфейс между MIPSfpga и сенсорами с интефейсами SPI, I2C, UART и другими. Сенсоры влажности, температуры, звука, компасы, дальномерка и т.д.
2. Интерфейс между MIPSfpga и внешней по отношению к FPGA памяти - SDRAM, DDR и т.д. (в текущих примерах память системы строится из block memory внутри FPGA)
3. Интерфейс между MIPSfpga и более крупными устройствами - VGA дисплей, мышь, клавиатура, джойстик.
4. Визуализация работы кэша с помощью запуска процессора с частотой 1 такт в секунду и вывода сигналов, связанных с транзакцией (запрос, промах и т.д.).
5. Визуализация работы конвейера и арифметических устройств с помощью запуска процессора с частотой 1 такт в секунду и вывода сигналов контроля конвейера и т.д.
6. Добавление команд в процессор с помощью интерфейса CorExtend / User Defined Instructions (UDI). Пример - специальные команды для шифрования.
7. Лабораторные работы с демонстрацией работы прерываний в разных режимах и обработчика прерываний.
8. Мосты между шиной AHB-Lite и другими шинами - AXI, APB, OCP, Wishbone, PLB и т.д.
9. Многопрооцессорные системы без когерентности кэшей первого уровня и (для самых продвинутых) с когерентными кэшами и реализацией протоколов типа MESI.
10. Портирование на MIPSfpga разного рода программ и операционных систем - от простых RTOS до различных вариантов Linux (MIPSfpga поддерживает TLB MMU).
Прошу присылать предложения на [email protected] с копией [email protected]
Наше повествование о разновидностях ЦАПов было бы неполным без упоминания FPGA-модулей. Не всякий ЦАП может быть FPGA, но всякий FPGA может побыть ЦАПом. Уже запутались? Ничего, надеюсь, дальше будет проще.
До сих пор цифро-аналоговым преобразованием (т.е. переводом двоичного кода в ток либо напряжение) занимались вполне определенные устройства, работающие по R-2R либо дельта-сигма алгоритму. Если вам захочется включить в процесс новое логическое звено (например, мастер-клок), традиционному чипу ЦАПа понадобится внешний дискретный элемент. А вот для FPGA-архитектуры этого всего не надо, логическое звено «припаивается» виртуально.
FPGA расшифровывается как Field-Programmable Gate Array и называется по-разному - и программируемая вентильная матрица, и программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), но суть ее одна. Строго говоря, ПЛИС не является процессором, которому нужно прописывать набор определенных инструкций. Это чистое поле так называемых «логических вентилей», где вы строите свою электронную схему собственно «процессора». Вот здесь можно от души кувыркаться с самой смелой разрядностью хоть 128 бит, идеальными пост-фильтрами и другой обработкой звука. И все это на очень приличной скорости вычисления и без дополнительных высокочастотных помех, присущих дискретным цепям.
Первые коммерческие образцы FPGA появились в середине 80-х благодаря компании Xilinx, она же до сих пор сохраняет лидерство на рынке. В аудиопромышленности более всех прочих с конверторами на базе ПЛИС ассоциируются источники Chord Electronics. Как там говорят - «никого не оставляет равнодушным»? Не хочется повторяться, но деваться некуда.
Компоненты Chord действительно своеобразны. Они одними из первых в усилителях перестали стесняться импульсных блоков питания и класса D, да и дизайн у них такой, чтобы вывести любителя классического винтажа из равновесия. Словом, все кто верует в правильность поступи технического прогресса, следует сверять часы по Chord Electronics. Сверим их и мы по топовому фирменному ЦАПу DAVE, который вот-вот должны презентовать официально.
Внешне для поклонников (да и ненавистников) марки, в принципе, ничего нового: крепенький алюминиевый корпус в индустриальной отделке, болты, мехобработка, вот это вот все. Раньше в подобных устройствах Chord Electronics в круглом «окне» можно было рассмотреть на тот момент диковинку - собственно FPGA плату. Сейчас в DAVE (акроним Digital to Analog Veritas Extremus) используется Xilinx Spartan 6 версии LX75. Это не самая мощная в мире ПЛИС - существуют модели и больше, и даже дороже самого Chord DAVE, стоимость которого в Англии составляет невялые восемь тысяч фунтов. Но в мире аудио Spartan 6, определенно, самая продвинутая на текущий момент платформа.
Но, как уже упоминалось, это только поле. Что на нем засеяно? Алгоритм Chord DAVE использует 166 DSP-ядер и КИХ-фильтр на 164 тысячи отсчетов с коэффициентом 256 fs - скорость обработки звука доселе неслыханная на компонентах, использующих самые топовые ЦАПы. Так что теперь на месте окна у DAVE расположен цветной дисплей, потому что область интересов у современного конвертера определенно расширилась.
ЦАП Chord DAVE Во-первых, помимо основного предназначения устройство можно напрямую подключить к оконечнику, так что знать уровень сигнала будет не лишним. Управлять им можно со штатного пульта ДУ для всей линейки Chord, правда, не очень-то презентабельного вида для устройств данной ценовой категории. Что касается коэффициента усиления, вообще следует иметь в виду, что и раньше на линейных выходах источники Chord Electronics имеют повышенные относительно стандартного уровни выходного напряжения 3 и 6 Вольт, на RCA и балансных выходах соответственно.
Это особенно важно при сравнении DAVE с другими конвертерами на соседних входах усилителя. Без выравнивания уровня более громкий источник всегда субъективно покажется более уверенно звучащим. Также следует упомянуть опцию усиления для наушников с практически полным охватом импеданса от 8 до 800 Ом, чего раньше не было в топовых источниках Chord Electronics. И, кстати, об импедансе. Не все производители считают за труд упомянуть этот важный параметр согласования между источником и усилителем, но у DAVE это значение на выходе (0,0055 Ом) практически стремится к нулю.
Помимо цены и пульта дистанционного управления в Chord DAVE очень может раздражать отсутствие маркировки на входных разъемах, тем более, что часть из них выполнена на BNC, что может сбить с толку пользователя, который не любит читать мануалы.
Итак, вместо привычной разводки на «тюльпане», мы имеем четыре коаксиала BNC, плюс столько же на выходе. «Тюльпаны» здесь используются только для небалансных выходов. И в самом деле, если бы эти цифровые разъемы были выполнены на RCA, и все это без разметки задней панели, хаос с коммутацией только бы крепчал. Но если серьезно, то выбор BNC в данном случае не просто прихоть, а необходимость реализации так называемого Dual Mode - это когда цифровой поток передается по двум веткам с уменьшенной вдвое частотой дискретизации. Также присутствуют пара оптики TosLink и AES/EBU входы. Самое же интересное сейчас, что умеет делать конвертер через USB-вход.
Тыловая панель Chord DAVE Вот здесь становится понятно, для чего был нужен электронный дисплей. Если по коаксиальным входам верхний предел частоты дискретизации был «всего» 384 кГц, то здесь уже вдвое больше 768 кГц плюс поддержка DSD вплоть до DSD512. Чтобы понимать, что такое DSD512, напомним, что на SACD уложен так называемый DSD64 с частотой 2,8 МГц, что в восемь раз меньше. Конечно, подобные фонограммы пока представлены единицами, и вряд ли эта затея вообще выберется дальше загородки для аудиогурманов, но суть в том, что концептуально архитектура FPGA подразумевает перенастройку преобразования хоть под DSD1024, которого еще не существует в природе. Производитель указывает, что коаксиальные выходы способны поддерживать дискретизацию до 768 кГц в связке с некими неназванными продуктами Chord в будущем. Собственно, за это и просятся деньги - не столько за вычурный дизайн (хотя и за это тоже), сколько за аутентичный софт, который позволяет гибко управлять инструментами обработки сигнала.
У DAVE данные инструменты представлены отключаемым ультразвуковым фильтром на 60 кГц, а также режимами PCM+ и DSD+. Производитель отмечает, что в любом из них возможно воспроизведение обоих форматов, но все-таки оптимизация выполнена под что-то одно. Не забыты и старинные опции вроде смены фазы или фильтра для компакт-дисков с пре-эмфазисом. Это же программный алгоритм, здесь все можно предусмотреть.
По отзывам первых слушателей, в непосредственной работе DAVE производит благоприятное впечатление. В свое время, надо признаться, ЦАПы Chord могли смутить слишком напористым «квадратным» саундом, но сейчас многие слушатели DAVE отмечают его весьма деликатную, атмосферную подачу и, что немаловажно, - толерантность к огрехам музыкального материала.
Данное впечатление, вероятно, основано на двух технических моментах.
Первый момент - «железный» - это собственные экстремально низкие параметры искажений на выходном каскаде, включая низкий его импеданс. Второй момент носит более эзотерический характер, но также имеет отношение к «железу», точнее к его «духу».
ЦАП Chord DAVE Хотите - верьте, хотите - нет, но не секрет, что львиная доля так называемой плавности звучания старой аудиотехники обусловлена в том числе и низким быстродействием сигнальных цепей. В противовес им более современные цифровые решения звучат вроде бы прозрачнее и чище, но нередки жалобы на потери текучести саунда, он становится пустоват.
Если говорить о быстродействии схемы LX75, то ее экстремальные обороты преодолевают и актуальные на сегодня параметры типичных конвертеров, со всеми их упомянутыми достоинствами и недостатками. На такой гиперскорости обработки аудиосигнала он становится, как это не парадоксально, мягче на слух. В отсутствие искажений аппаратной подкраски (неважно, медоточивой или слишком аналитичной) из такой подачи проще выделить на слух музыкальную составляющую.
И если аудиобудущее окажется именно таким, каким его сегодня представляет Chord DAVE - на очень быстрых FPGA с продвинутыми алгоритмами фильтрации, то братцу-слухачу определенно бояться нечего. Разве что придется привыкать к алюминиевым «крабам» на полке.
Другие материалы цикла .
В силу своей профессиональной деятельности мне приходится очень тесно работать с программированием микроконтроллеров и FPGA. Но если освоение МК более-менее подвластно даже домохозяйке, то с FPGA могут возникнуть некоторые сложности. Именно о подводных камнях и взгляде на них сверху и хотелось бы рассказать.
Для воплощения в жизнь первых двух шагов подойдет связка ISE (он же Project Navigator) + ISim (симуляция) + Impact (прошивка FPGA).
Иногда ну просто очень хочется чего-нибудь приятного… Пожалуйста, вспомним о SoC (System-on-Chip) - системе на кристалле. В нашем случае, это процессор, шина, память и куча всякой периферии. Можно попытаться сделать самому подобную систем (см. шаг 2), можно прикрутить найденные IP Cores на просторах интернета. Но зачем же изобретать велосипед? Умными ребятами из конторы Xilinx уже придуманы софт-процессоры PicoBlaze и MicroBlaze. Первый - это восьмиразрядный процессор, который морально устарел, уже давно не внедряется в SoC и имеет открытый исходный код. Второй же, MicroBlaze, имеет неплохие перспективы: 32 разряда, RISC-архитектура и т.д, и т.п.
В качестве памяти может быть использована как внешняя память, подключаемая к FPGA, так и внутренняя, реализованная непосредственно внутри FPGA. Как правило, вторая часто применяется для кеширования инструкций и данных, находящихся в первой. Помимо того, довольно широко используются системы, содержащие более одного процессора и использующие для межпроцессорного взаимодействия специальные модули коммуникации.
Существует гигантская куча всевозможной периферии, которую можно задействовать в огромных количествах - все ограничено лишь ресурсами FPGA. Кроме того, на шину обмена с периферией PLB можно добавить и «самопальные» модули, но только при условии их корректной работы.
На данном этапе важнейшим инструментом является Xilinx Project Stuido (XPS) из состава Emedded Development Kit (EDK), по большому счету именно она на выходе позволяет получить готовый файл аппаратной конфигурации FPGA с размещенной на ней SoC.
