NP1003応用例�@ FPGA OS(仮称)

FPGA OSとは

　FPGA OS(ver0.1)は、FPGAにコマンドラインインタフェースを実装し、各種操作を行うことができる、FPGAのためのOSです。すべての機能がステートマシンでハードコードされており、世界最速のコンソールだと思います。
　せっかくRS232CやUSBでFPGAと通信できるのに、アプリがエコーバックや+1した文字を返すだけじゃつまらないという方にも、おすすめです。
　ソースはGPLライセンスの下に、オープンソースで公開しています。
　Let's interface to FPGA with command line !!!

機能概要

　FPGA OS(ver0.1)をNP1003に実装した場合、すぐに次のことができるようになります。

1. USBシリアル(仮想COMポート)を通じたコマンドラインインターフェース
2. ブロックRAMの内容をメモリダンプ
3. ブロックRAMの内容をメモリ書き換え
4. FPGAのI/Oへデータを出力
5. FPGAのI/Oからデータを入力
6. ヘルプ機能

使用イメージ

　仮想COMポートでFPGA OSを操作するときは、手頃なターミナルソフトで使用します。下のイメージでは、Teratermを使用しています。

使い方

　FPGA OSには、次のコマンドがあります。各コマンドは大文字小文字のどちらでも受け付けます。

ダンプコマンド

　ダンプコマンドは、メモリ(ブロックRAM バンク0)の内容をダンプします。前の図にメモリダンプの際の表示があります。図で3桁の16進数字はダンプするアドレスで、いっぱい並んでいる2桁の数字はメモリの内容です。
　本コマンドは、引数はとることができません。ブロックRAM0の000〜1F0を必ずダンプします。

メモリモディファイコマンド

　メモリモディファイコマンドは、メモリ(ブロックRAM バンク0)の内容を変更します。「m」の後に000〜1FFまでのアドレスを3桁の16進で入力し、その後に書き込む値を2桁の16進で入力します。スペースは不要です。もし、文法が間違っている場合はエラーを表示し、書き換えは行われません。

出力コマンド

　出力コマンドは、指定されたポートからデータを出力します。「o」の後に1桁もしくは2桁の16進で入力します。スペースは不要です。もし、文法が間違っている場合はエラーを表示し、出力は行われません。
　なお、「指定されたポート」とはデフォルトではUSER[19:12]に割り当てられています。このポートにLEDの配線を行えば、仮想COMポートからLEDを光らせることができます。
　なお、データを16進1桁で指定した場合は、データは下4ビットに出力されます。上4ビットはゼロクリアされます。

入力コマンド

　入力コマンドは、指定されたポートからデータを入力します。引数はありません。
　なお、「指定されたポート」とはデフォルトではUSER[35:28]に割り当てられています。このポートにスイッチ等をつなげば、仮想COMポートからその状態を読むことができます。なお、表示は16進です。

バージョン表示コマンド

　バージョン表示コマンドは、FPGA OSのバージョンを表示します。引数はありません。

ヘルプ表示コマンド

　バージョン表示コマンドは、簡単なヘルプを表示します。引数はありません。

カスタマイズ

　VHDLソースの一部を次の表に載せます。出力するI/Oポート、入力するI/Oポートを変更したい場合は、その該当する部分を変更してください。ソースコードの全部は、このページの最後に載せています。

begin
-- ****************************************
--    MODIFY HERE TO CUSTOMIZE I/O
	InputData <= USER(35 downto 28);
	USER(27 downto 20) <= (others=>'0');
	USER(19 downto 12) <= OutputData;
	USER(11 downto 6)  <= (others=>'0');
	USER(5 downto 0)  <= GStateL;
	CLK <= CLK0;
-- ****************************************

※USER[5:0]をGStateL(インタプリタステートマシン)の状態を出力するように割り当てていますが、これは外さないでください。論理合成がうまくできなくなることがあります。原因は究明中です。
　それ以上のカスタマイズは、バージョン0.2が出るのを待ってください。

何ができるの？応用

　普通は、一度FPGAが動き出してしまったら、中がどうなっているかなんて、わかりません。適当な信号を出力させ、オシロやロジアナで見たり、シミュレーションとにらめっこしてますね。
　もし、FPGAではなくてCPUのデバッグなら、モニタプログラムの上で走らせたり、レジスタの値を操作したり、いろいろなデバッグ環境が整っていますよね。でも今まで、FPGAにはそんなものはありませんでした。
　FPGA OSを使えば、FPGAの内部回路にコンソール経由でアクセスできるようになるため、動き出したFPGAの、レジスタを書き換えたり、各部の状態を知ることは簡単にできてしまいます。さらに、ブロックRAMの内容だって書き換えられます。

　まだまだおもちゃ程度なので、ブロックRAMの内容を書き換えて、コマンドプロンプトやヘルプメッセージの内容が書き換わるのを見て遊んだり、LEDを光らせたりして楽しむことしかできませんが、動いているFPGAの各部を外部PCから自由に操作できるというのが最大の特徴です。

今後の方針

　目下の目標は、拡張を容易にすることと、回路サイズを小さくすることです。FPGA OS(ver0.1)はXC2S30のスライスを99％も使用してしまいます。最適化オプションを調整すれば70％くらいまで圧縮することができますが、機能を保ちつつもっともっと回路規模を減らすのが目標です。
　ちなみに、メモリ書き換え機能や入力機能を省けば、最適化オプションを調整しなくても60％くらいまで削減できています。
　なお、USBの部分をRS232Cに置き換えれば、ヒューマンデータさんの各種SpartanIIボードや、モルフィー企画さんのVirtex300Eボードにも載ると思います。それは後ほど・・・

ソースコード

　配布条件はGPLです。

1. VHDLソース fpgaos01.vhd ・・・メインのソースコード
2. UCFファイル fpgaos01.ucf ・・・ピン配置とブロックRAMの初期値
3. WebPACKプロジェクトファイル fpgaos.npl

1. MCSファイル fpgaos01.mcs ・・・コンフィグROMに書き込むファイル

PC側の準備

　USBのデバイスドライバとして、FTDI社の仮想COMポートドライバが必要です。FTDI社のページから無料でダウンロードできます。
http://www.ftdichip.com/FTWinDriver.htm
　VCPドライバの、R8062115.zipというファイルをダウンロードして、インストールしてください。私のPCでは、NP1003がCOM4として認識されました。

　また、仮想COMポートドライバ以外にも、D2XXといわれる「ダイレクト」ドライバがあります。これを用いてもインタフェースできますが、通信アプリケーションを自分で作成する必要があります。 http://www.ftdichip.com/FTD2XXDriver.htm
　D2XXドライバのD10504.zipというファイルをダウンロードしてインストールしてください。このデバイスドライバは、どちらかというと自分でアプリケーションを作る人向けです。

　これら2つのドライバは同時にはインストールできません。片方を使うときには、もう片方をアンインストールしてください。