:: Repositorio Institucional


Título:	*Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux*
Fuente:	Simposio/Congreso Argentino de Sistemas Embebidos, SASE/CASE
Autor/es:	Tropea, Salvador; Melo, Rodrigo A.; Brengi, Diego J.
Materias:	Dispositivos electrónicos; Software libre; INTI; Electrónica; Equipos electrónicos; Sistemas operativos; LINUX; Automatización; Simulación; Hardware; Diseño de circuitos; Circuitos impresos; Sistemas embebidos
Editor/Edición:	INTI-Electrónica e Informática; 2011
Licencia:
	Descargar

Ver+/-

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Autores: Ing. Salvador E. Tropea Ing. Rodrigo A. Melo Ing. Diego J. Brengi

Electrónica e Informática Unidad Técnica Instrumentación y Control Desarrollo Electrónico con Software Libre (DESoL)

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Desarrollo con dispositivos FPGA utilizando un entorno GNU/Linux y herramientas de software libre.

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Agenda General

1. Presentación INTI y Laboratorio DESoL 2. Motivos para usar GNU/Linux (Software Libre) 3. El ciclo de trabajo con FPGAs 4. Herramientas de software más relevantes 5. Demostración y consultas

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Agenda

Presentación

• Instituto Nacional de Tecnología Industrial • Centro de electrónica e Informática • Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre • Áreas de trabajo del laboratorio

Presentación INTI

Instituto Nacional de Tecnología Industrial

El Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) es una institución nacional creada en 1957 para promover el desarrollo y la transferencia de tecnología a la industria.

Misión del INTI

• Responsable técnico en la aplicación de las regulaciones oficiales de calidad o identidad de productos en la industria.

• Asistente público para la competitividad de empresas industriales o de servicios industriales y de los sectores que las agrupan, en todo el país.

• Responsable tecnológico público de procurar la

integración al tejido productivo de toda la comuni-

dad, en todo el país, en los aspectos industriales

y vinculados.

http://www.inti.gob.ar/pdf/interno1.pdf

Presentación INTI

INTI - Centro de Electrónica e Informática

El centro de Electrónica e Informática tiene como principal objetivo apoyar el desarrollo tecnológico del subsector industrial relacionado, a través de desarrollos precompetitivos, asistencia técnica, ensayos, calibraciones y certificaciones, enmarcado en el Plan Estratégico del INTI.

http://www.inti.gov.ar/electronicaeinformatica/

Cámara semianecoica electromagnética

Banco de mezcla de gases

Medición de un trasmisor de TV digital isdb-t

Presentación INTI

Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre

Av. Gral. Paz 5445 (Constituyentes y Albare-

llos) CC 157 - (CP 1650) Edificio 42- San Martín Provincia de Buenos

Aires República Argentina

Instituto Nacional de Tecnología Industrial Centro de Electrónica e Informática

Unidad Técnica de Instrumentación y Control

Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre

Laboratorio DESoL

Áreas de Trabajo - Parte 1/3

Aplicación de dispositivos lógicos programables FPGA

(Field Programmable Gate Array).

Utilización de dispositivos FPGA en aplicaciones que requieran de alta velocidad, gran flexibilidad o soluciones no convencionales.

Diseño y adaptación de IP cores en lenguaje VHDL portable.

Sistema FPGA capaz de correr GNU/Linux

• Diseño de IP cores (bloques reutilizables para FPGAs y ASICs). • Utilizando lenguaje VHDL portable para permitir su utilización en casi cualquier dispositivo FPGA (y/o ASIC).

Editor adaptado para código VHDL

Laboratorio DESoL

Áreas de Trabajo - Parte 2/3

Equipos dedicados utilizando GNU/Linux y software libre.

Integración de sistemas a medida utilizando estándares abiertos.

Desarrollo y modernización de sistemas dedicados y aplicaciones embebidas especiales utilizando PC para las áreas de control, ensayos, monitoreo y registro. Aprovechando protocolos y estándares abiertos con sistema operativo GNU/Linux y aplicaciones de software libre.

Modernización con GNU/Linux de un equipo de ensayos para maderas

Laboratorio DESoL

Áreas de Trabajo - Parte 3/3

Herramientas de software libre aplicadas al desarrollo electrónico.

Software libre para diseño de PCB

Instrumentación y control electrónico utilizando microcontroladores, sensores y actuadores.

Medición de sensores ultrasónicos

Diseño de Hardware libre con FPGA

Diseño conjunto de hardware y software.

Motivos para Usar GNU/Linux

Agenda

Motivos para Usar GNU/Linux en el Laboratorio

• El Software Libre • Sistemas GNU/Linux • Ventajas del Software libre

Motivos para Usar GNU/Linux

El Software Libre

Es el software que respeta la libertad de los usuarios sobre su producto adquirido y, por tanto, una vez obtenido puede ser usado, copiado, estudiado, cambiado y redistribuido libremente.

Formalmente se lo define como el que garantiza las siguientes libertades: • Libertad 0: usar el programa, con cualquier propósito. • Libertad 1: estudiar cómo funciona el programa, y adaptarlo a tus necesidades. • Libertad 2: distribuir copias, con lo que puedes ayudar a tu vecino. • Libertad 3: mejorar el programa y hacer públicas las mejoras a los demás, de

modo que toda la comunidad se beneficie.

Las libertades 1 y 3 requieren que esté disponible el código fuente porque estudiar y modificar software sin su código fuente es muy poco viable.

Es importante aclarar la diferencia entre software gratuito y el libre ya que mucha gente confunde estos conceptos.

El concepto y la definición de “Software Libre” son establecidos por la Free Software Foundation: http://www.fsf.org/

Motivos para Usar GNU/Linux

Sistemas GNU/Linux

Es la combinación de dos componentes principales: • El núcleo (kernel) llamado Linux. • Herramientas del proyecto GNU (de la Free Software Foundation).

Estas dos componentes forman un sistema operativo completo que cumple con las libertades mencionadas del Software Libre.

Además, un Sistema GNU/Linux incorpora en la actualidad una gran cantidad de software libre adicional (herramientas de oficina, aplicaciones científicas, de administración y muchas más).

Las diferentes variantes de estos sistemas se llaman distribuciones. Las distribuciones pueden incorporar paquetes de software no-libre.

Motivos para Usar GNU/Linux

Ventajas técnicas

• Amplia disponibilidad de recursos • Lenguajes de programación y herramientas. • Bibliotecas, rutinas, etc. • Comunidad de usuarios predispuestos.

• Menor esfuerzo de mantenimiento y administración • Administración más simple y centralizada. • Manejo coherente de paquetes. • Sistemas seguros y muy estables. No se degradan con el uso. • Muy apto para sistemas remotos.

• Mayor control • Código fuente disponible (adaptable y/o corregible) • Componentes altamente configurables. • Acceso a todos los protocolos de comunicación y formatos de archivos. • Conocimiento del hardware/firmware involucrado (Hardware libre o abierto).

• Muchas de las herramientas superan a sus equivalentes comerciales (otras necesitan de adaptación y desarrollo adicional).

Motivos para Usar GNU/Linux

Ventajas estratégicas

• Autonomía nacional • Reduce la dependencia de corporaciones extranjeras • Fomenta el desarrollo local de software y hardware.

• El conocimiento más profundo de las herramientas de software para electrónica (propias y de terceros) brinda normalmente mayor experticia en la temática ya que hoy en día el desarrollo de hardware está muy ligado al software.

Motivos para Usar GNU/Linux

Ventajas económicas

• Sin costos de licencias de software • Para el desarrollador. • Para el cliente. • OS y herramientas incluidas en el equipo • Bibliotecas • Herramientas para reproducir el desarrollo (ej: KICAD)

• El dinero puede utilizarse o aprovecharse en hardware.

• Fácil aplicación en sistemas de pocos recursos de hardware.

El ciclo de Trabajo con FPGAs

Agenda

El Ciclo de Trabajo con FPGAs

• Diagrama en bloques simplificado

El ciclo de Trabajo con FPGAs

Ciclo básico de desarrollo

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

Agenda

Herramientas de Software más Relevantes

• Sistema Operativo

• Herramientas de propósitos generales

• Edición: Setedit

• Automatización: Gnu Make

• Simulación y testbench: GHDL

• Análisis: GTKWave

• ISE Webpack • Transferencia del bitstream • Ayudas: Xil Proyect • Hardware: Placa de desarrollo con FPGA • Circuitos Impresos: Kicad • Reportes y Documentación

Herramientas de Software más Relevantes

Sistema operativo Debian GNU/Linux

• Sistema operativo: Debian GNU/Linux Estable • Gran cantidad de paquetes de software listos para usar. Squeeze: 29.000

paquetes aprox. (52 CDs u 8 DVDs!). • Más de 3000 voluntarios contribuyen a su mejora y desarrollo. • No posee dependencia directa de compañías o empresas. • Es uno de los proyectos Open Source (y de software en general) más

grandes del mundo. • Una de las distribuciones GNU/Linux más antiguas que sigue activa. • Ubuntu es una distribución basada en Debian.

Herramientas de Software más Relevantes

Herramientas de propósitos generales

• Sistema Operativo: Debian GNU/Linux versión estable • Suite de oficina: OpenOffice Writer – Calc – Impress – Draw • Navegador Web: IceWeasel (Firefox) • Cliente de Correo: IceDove (ThunderBird) • Consola: Eterm • Entornos de escritorio:

• Gnome (máquinas modernas) • Enlightenment • Navegación de sistema de archivos: • GNU Midnight Commander (consola) • Nautilus (gráfico) • Visor de imágenes: gqview • Edición de imágenes: Gimp • Visor de archivos pdf: xpdf • Acceso remoto entre terminales: OpenSSH • Cálculos y gráficos: octave y gnuplot

Herramientas de Software más Relevantes

Edición: SETEdit

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

Edición: SETEdit

Editor de software libre que posee facilidades avanzadas para la edición de código VHDL. Ha sido desarrollado para programadores y posee soporte para gran cantidad de lenguajes de programación.

Estas son algunas de las características que lo hacen una buena elección para el trabajo con VHDL: ● Resaltado de sintaxis para VHDL. ● Macros específicas con construcciones típicas de VHDL (PMacros). ● Utilización de Exuberant C Tags con soporte específico para VHDL. ● Indentado coherente con los guidelines del proyecto. ● Configurable y con soporte para los lenguajes más populares. ● tpl2file: templates de Xilinx como archivos

http://setedit.sourceforge.net

Herramientas de Software más Relevantes

Automatización: GNU Make

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

Automatización: GNU Make

● Automatización de tareas repetitivas. ● Reducción del tiempo necesario para regenerar targets (objetivos). ● Integra con SETEdit para la recolección de errores.

¿Por qué no un Shell script? ● Usualmente sólo necesitamos regenerar ciertos targets. ● Permite centralizar varias operaciones en un mismo archivo.

make analiza dependencias entre archivos y en base a las fechas de modificación y reglas, determina cuáles archivos reconstruir.

Edición setedit

Ctrl+F9

make ghdl

Listo para simular

Herramientas de Software más Relevantes

Simulación y testbench: GHDL

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

Simulación y testbench: GHDL Simulador de VHDL, que implementa los estándares IEEE 1076-1987 (VHDL87), IEEE 1076-1993 (VHDL93) y algunas características delIEEE 1076-2000 (VHDL00}. Es Software Libre. Compila sin problemas proyectos tales como el procesador LEON y el DLX. Utilizamos el GHDL como herramienta principal de simulación para VHDL.

http://ghdl.free.fr/

GHDL utiliza la tecnología del GCC, el compilador de software libre más utilizado en todo el mundo.

Herramientas de Software más Relevantes

Análisis: GtkWave

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

Análisis: GtkWave ● Cuando estamos haciendo el debugging de un diseño es útil poder observar las formas de onda digitales. GtkWave es un visor de forma de ondas Software Libre. ● Interfaz de usuario simple escrita en GTK. Muy liviano. ● Soporte especial para VHDL (originalmente sólo Verilog).

Herramientas de Software más Relevantes

ISE WebPack

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

ISE WebPack

VHDL

XST

NGDBuild

MAP

PaR

BitGen TRCE

BitStream

Herramientas de Software más Relevantes

Ayuda: Xil Project/Wizard

xil\_project ● Herramienta para facilitar la sín-

tesis utilizando herramientas de Xilinx. ● Orientada al uso de línea de comandos y asume que se siguen los lineamientos de FPGALibre. ● Objetivo: generar archivos necesarios para la síntesis a partir de un archivo de proyecto y la descripción de la placa a utilizar.

xil\_project\_wz ● Interfaz de usuario gráfica que

ayuda con la generación del archivo de proyecto. ● Permite introducirnos fácilmente al uso de xil\_project.

Herramientas de Software más Relevantes

Transferencia del bitstream

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

Transferencia del bitstream

Comunicación más común: • JTAG estándar IEEE 1149.1 del JTAG (Joint Test Action Group). • Originalmente pensado para testeo. • Independiente del fabricante. IMPACT Helper • Herramientas do\_impact y make\_impact • Línea de comandos (automatizable) • Más simple. • No necesita drivers en el kernel • En algunos casos hay que desarrollar herramientas. Programador JTAG:

Conectan a la PC con la placa que contiene la FPGA.

Usamos el Parallel III de Xilinx, también conocido como DLC5.

Este es un circuito simple y barato que se puede conectar al puerto paralelo de una PC.

Todos los archivos de diseño se encuentran disponibles en formato Kicad.

Herramientas de Software más Relevantes

Hardware : Placa de desarrollo con FPGA

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Síntesis

xst/map/par

Bitstream

iMPACT helper, astriaekipro

FPGA

Ok!

No cumple

Herramientas de Software más Relevantes

Hardware : Placa de desarrollo con FPGA

• Para desarrollar una aplicación, además del chip FPGA, es necesaria una electrónica de soporte: circuitos impresos, circuitos de alimentación, memorias, conectores, etc.

• La forma más fácil de abordar este tema es comprando algún kit de desarrollo. También se puede encarar el desarrollo.

S2Proto

• Parte del proyecto FPGA Libre. Diseño e implementación de un circuito impreso con FPGA, pensado para ámbitos de desarrollo e instituciones educativas. Bajo licencia GPL para permitir su libre utilización, implementación, modificación y comercialización.

• Desarrollado y probado con SL: Kicad y GNU jtag. • Soporte para dispositivos Xilinx Spartan II PQ208.

Herramientas de Software más Relevantes

Diseño de circuitos impresos

• KICAD • Cubre las tres tareas principales:

• Ingreso de circuito esquemático. • Ruteo de PCB (Printed circuit Board) • Visor de formato Gerber.

Herramientas de Software más Relevantes

Reportes y documentación formal • LaTeX:

• Publicaciones (IEEEtran) • Presentaciones (Beamer) • Pósters • Notas/informes/presupuestos • DocBook (SGML): • Documentación de IP cores y Software • makeinfo • Documentación de Software

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Información adicional y contacto: Proyecto FPGALibre

• Facilitar el intercambio de conocimientos y cores. • Impulsar el uso de herramientas de S.L. • Hosteado por SourceForge • http://fpgalibre.sourceforge.net • Abierto (OSs y tecnologías) • Actualmente basado en Debian GNU/Linux • Objetivos:

• Impulsar el desarrollo con dispositivos FPGA utilizando herramientas de S.L. u Open Source.

• Fomentar el intercambio y desarrollo de cores IP con licencias que posean el mismo espíritu que las del S.L.

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Agenda

Demostración y Consultas

• Demostración de las herramientas. Ejemplo de como hacer titilar un led con una FPGA!!!!

• Consultas

¡MUCHAS GRACIAS!

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Jefe de Laboratorio DESoL: Ing. Salvador Tropea

Av. Gral. Paz 5445 (1650) San Martín Buenos Aires, Argentina (11) 4724-6315 {salvador,brengi,rmelo}@inti.gob.ar

http://utic.inti.gob.ar/ http://fpgalibre.sf.net/

Marzo de 2011

Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre

Licencia de la presentación

Atribución-SinDerivadas 2.5 Argentina

Usted es libre de: copiar, distribuir, exhibir, y ejecutar la obra

Bajo las siguientes condiciones: Atribución. Usted debe atribuir la obra en la forma especificada por el autor o el licenciante.

Sin Obras Derivadas. Usted no puede alterar, transformar o crear sobre esta obra.

http://creativecommons.org/licenses/bynd/2.5/ar/

Desarrollo con FPGAs en GNU/Linux

Agenda

Anexo

ANEXO

Herramientas para FPGA - Adicionales

Bibliotecas y Cores

Edición

SETEdit

Automatizador

GNU Make

Compilador

GHDL

Estilo (lint)

BakaLint

Forma de Onda

GTKWave

Error

Testbench

GHDL

Post-proceso

GCC y Perl

Otros

hex2vhdl vhdlspp

hex2vhdl: ● Conversor de .hex a array VHDL (ROM).

vhdlspp (VHDL Simple PreProcessor): ● Permite reemplazar tags (marcadores) del tipo @nombre\_archivo@ por el contenido del archivo indicado.

bakalint: ● Permite verificar si el código VHDL que escribimos cumple los guidelines del proyecto.

ANEXO

Ejemplos de aplicación

Proyectos y

Trabajos

• IP Cores desarrollados bajo GNU/Linux • Kit de desarrollo S2PROTO • Tecnoplac III-USB • GNU/Linux embebido en procesadores LEON

Proyectos y Trabajos

Bloques de propiedad intelectual desarrollados y/o adaptados (2005-2010)

• Microprocesadores

• PIC16C84

• AVR (ATtiny22, ATmega103, ATmega8, ATmega32, etc.) OC

• Comunicaciones

• Intrasistemas: I²C OC, SPI

• Externa: PS2, USB, MAC Ethernet

• Control

• Servomotores y motores paso a paso

• Encoder

• Varios

• Display alfanumérico

• Controlador de interrupciones

• A pedido de la industria aeroespacial

• Logaritmo decimal (43 bits)

• Adquisición a 250 KHz 16 bits y cálculo de la varianza.

• Contador de pulsos con ventana adaptativa.

Proyectos y Trabajos

Tarjeta S2proto de hardware libre para desarrollo con FPGA (2005-2006/2008)

• Parte del proyecto FPGA Libre. Diseño e implementación de un circuito impreso con FPGA, pensado para ser utilizado en ámbitos de desarrollo e instituciones educativas.

• Brindado bajo licencia GPL para permitir su libre utilización, implementación, modificación y comercialización.

• Desarrollado y probado con SL: Kicad y GNU jtag.

• Impreso doble faz de 12x10 cm de fácil fabricación en el país y montaje manual de los componentes.

• Soporte para dispositivos Xilinx Spartan II PQ208.

• Puerto RS-232 y JTAG (configuración y testeo).

• Pines de I/O disponibles para el usuario.

Actualización:

s2proto-v2

• Alimentación simple de 5 V CC.

s2proto-v4

• Conector USB tipo B y driver (niveles estándares USB).

• Remplazo de memoria por una más económica.

Proyectos y Trabajos

TECNOPLAC3-USB - Sistema de control de calidad para leche de bebés (2004-2005/2010)

• Equipo desarrollado a pedido de la empresa Mastellone Hnos. para reemplazar un equipo importado de muy alto costo.

• Los equipos desarrollados realizan actualmente el control de calidad del 100% de la producción de leche para bebés envasada en cartones de 250 cm3.

• La PC de control utiliza sistema operativo Debian GNU/Linux y Gnome.

• La aplicación de interfaz de usuario hecha a medida utiliza Allegro, Turbo Vision y libusb entre otras.

• Las placas de la electrónica de control se realizaron en KICAD.

• Una de las placas de la electrónica de control posee una FPGA que implementa el sistema USB y la lectura de un encoder.

• Para el desarrollo en la FPGA se utilizó el ciclo de trabajo del proyecto FPGALibre.

Equipo para control de calidad de leche para bebés en envase de 250 cm3

Proyectos y Trabajos

GNU/Linux embebido en procesadores LEON (2008-2010)

• El procesador LEON es un procesador SPARC apto para FPGAs, desarrollado originalmente por la Agencia Espacial Europea. Es muy utilizado en la industria aeroespacial pero sirve para otras aplicaciones.

• La descripción de hardware del procesador y sus periféricos principales están en lenguaje VHDL bajo licencia GPL.

• Se investiga en el laboratorio esta tecnología y sus aplicaciones, tratando de cubrir las partes de software y hardware faltantes para lograr un ciclo de trabajo libre y abierto.

HARDWARE: Se está desarrollando un circuito impreso (S3Proto), que se publicará bajo licencia de hardware libre y abierto, con capacidad para correr un sistema GNU/Linux en una FPGA con LEON.

Prototipo S3Proto-Mini de 4 capas y chip BGA, realizado en KICAD y próximo a fabricarse

SOFTWARE: Se desarrolló una herramienta libre:

GNU/Linux y BusyBox corriendo sobre LEON3/Grlib, usando una placa FPGA comercial.

FPGALibre Leon Monitor

(FLeMon) que permite

interactuar con el

hardware para debug y

grabar una imagen Linux

en la memoria Flash.

Ver+/-