[FPGA] Vybrané vývojové desky

Každý, kdo si chce začít hrát s FPGA obvody, dřív nebo později začne vybírat svou první vývojovou desku s FPGA. Možností je spousta, a proto jsem se rozhodl vám přiblížit pár vývojových desek, které mě zaujali.

Určitě najdete i levnější desky, ale ne vždy za to opravdu stojí. Já jsem vybíral jen ty, které mají výrobcem stále podporovaný FPGA čip a nevyžadují software s placenou licencí.

EP4CE10 Dev. Board (FPGA Intel Cyclone IV)

Pokud nechcete moc utrácet, může být pro vás vhodná čínská deska EP4CE10 Development Board, kterou můžete koupit přes eBay za 36 $. U čínských desek je často obtížné získat nějakou dokumentaci, a proto zde je odkaz ke stažení schématu této FPGA desky.

Tato deska je osazena FPGA čipem Intel (dříve Altera) Cyclone IV, konkrétně jde o EP4CE10 obsahující 10 320 logických elementů (jeden logický element obsahuje LUT se 4 vstupy a jeden klopný obvod = LUT4 + FF), 46 dvou-portových paměťových bloků s celkovou kapacitou 414 Kb a 23 DSP bloků. Takto velké FPGA vám do začátku určitě bude stačit, mimo něj deska obsahuje také řadu periferií:

- 8 LED diod, 3 uživatelská tlačítka, 4 DIP přepínače
- sedmisegmentový displej (4 číslice), společné FPGA piny s LED diodami
- piezoelektrický reproduktor
- PS/2 konektor, VGA konektor, USB2UART převodník
- infra přijímač, 1-wire konektor
- 2 PMOD konektory, 40-pinový rozšiřující konektor

S touto deskou můžete například implementovat nějakou “retro” hru využívající PS/2 klávesnici/myš, VGA video výstup a piezoelektrický reproduktor. Pokud vám dostupné periferie nebudou stačit, lze je snadno rozšířit díky dostupným PMOD konektorům. Ke konfiguraci této FPGA desky potřebujete ještě JTAG programátor, ale ten je k desce přibalen. Já vlastním podobnou desku od stejného prodejce a už dříve jsem ji na tomto blogu popsal.

CYC1000 (FPGA Intel Cyclone 10)

Pokud nepotřebujete velké množství periferií, ale raději by jste chtěli větší FPGA a k němu nějakou externí paměť. Můžu vám doporučit malou vývojovou desku CYC1000, kterou sám vlastním. FPGA desku CYC1000 lze zakoupit od německého výrobce Trenz Electronic za 35,70 € (+ 10,48 € za dopravu do ČR). Na stránkách tohoto výrobce zároveň najdete i dokumentaci k této FPGA desce.

Tato deska je osazena FPGA čipem Intel Cyclone 10 LP, konkrétně jde o 10CL025 obsahující 24 624 logických elementů (LUT4 + FF), 66 dvou-portových paměťových bloků s celkovou kapacitou 594 Kb a 66 DSP bloků. Na desce dále najdete tyto periferie:

- 8 LED diod, 1 uživatelské tlačítko
- SDRAM paměť Winbond s kapacitou 64 Mb
- Akcelerometr LIS3DH (3 osy)
- FTDI USB2UART převodník, integrovaný JTAG programátor
- 1 PMOD konektor, 21 pinů kompatibilních s Arduino MKR headers

Výhodou této desky je, že je velmi skladná a má integrovaný JTAG programátor. Stačí připojit jeden microUSB kabel, který umožňuje konfigurovat FPGA, využívat USB2UART převodník a zároveň napájet celou desku. Já s využitím této FPGA desky implementoval jednoduchý Ethernetový Firewall. Vám ale nic nabrání zkusit naimplementovat třeba vlastní RISC-V procesor.

iCEBreaker (FPGA Lattice iCE40)

Jestli patříte k milovníkům Open Source světa, určitě vás zaujme deska iCEBreaker, která je osazena FPGA čipem Lattice iCE40, konkrétně jde o model iCE40UP5K obsahující 5280 logických elementů (LUT4 + FF), 30 dvou-portových paměťových bloků s celkovou kapacitou 120 Kb, 4 jedno-portové paměťové bloky s celkovou kapacitou 1024 Kb a 8 DSP bloků.

Na rozdíl od předchozích vývojových desek je zde nejmenší FPGA, ale deska podporuje Open Source nástroje pro kompletní práci s FPGA čipem (syntéza, implementace a konfigurace). Tuto desku je možné objednat například přes web crowdsupply.com za 69 $ (+ poštovné). Na této FPGA desce dále najdete tyto periferie:

- 2 LED diody, 1 uživatelské tlačítko
- 5 LED diod a 3 uživatelské tlačítka na odlomitelné PMOD destičce
- Flash paměť o kapacitě 128 Mb
- FTDI USB2UART převodník, integrovaný programátor
- až 3 PMOD konektory, 3 pinový konektor pro RGB LED

Tato FPGA deska je jedním z příkladu úspěšné crowdfundingové kampaně. Osobně jsem měl možnost si ji prohlédnou na konferenci FCCM 2019 v San Diegu (USA). Detailní dokumentaci k této desce je k dispozici na GitHubu.

Arty A7 (FPGA Xilinx Artix-7)

Další zajímavou a známou deskou je Digilent Arty A7, která je osazena FPGA čipem Xilinx Artix-7. Tento FPGA čip má pokročilejší architekturu, používá LUT se 6 vstupy (LUT6), které je možné konfigurovat jako malou distribuovanou paměť nebo jako posuvné registry. Na každou LUT6 pak připadají rovnou dva klopné obvody (FF). Kompletní dokumentace k této FPGA desce je dostupná na stránkách výrobce.

Tato deska používá konkrétně FPGA čip XC7A35T obsahující 20 800 LUT6 (což údajně odpovídá cca 33 280 LUT4), 41 600 FF, 50 dvou-portových paměťových bloků s celkovou kapacitou 1800 Kb (využitím LUT6 lze dále získat až 400 Kb distribuované paměti) a 90 DSP bloků. Na desce jsou dále k dispozici tyto periferie:

- 4 LED diody, 4 RGB LED diody
- 4 uživatelská tlačítka, 4 přepínače
- 2048 Mb DDR3L paměť, 10/100 Mbps Ethernet
- FTDI USB2UART převodník, integrovaný JTAG programátor
- 4 PMOD konektory, Arduino/chipKIT Shield konektor

Celou desku stačí opět připojit pouze jedním microUSB kabelem, který zajistí napájení, komunikaci s JTAG programátorem a také komunikaci s USB2UART převodníkem. Tuto FPGA desku lze koupit například na Farnell.com za cca 3 900 Kč včetně poštovného. K sehnání je také dražší varianta s téměř třikrát větším FPGA čipem.

Připravované crowdfundingové kampaně na FPGA vývojové desky

Nakonec vám ještě představím dvě sympatické FPGA desky, které snad již brzy bude možné zakoupit skrze crowdfundingovou kampaň. Obě desky jsou osazené poměrně novým FPGA čipem Lattice ECP5, který je navíc podporován Open Source nástroji pro práci s FPGA.

TinyFPGA EX (FPGA Lattice ECP5)

Miniaturní FPGA deska TinyFPGA EX bude osazena novým FPGA čipem Lattice ECP5 v několika velikostních variantách. Použité FPGA půjde konfigurovat skrze USB-C konektor a integrovaný programátor. USB konektor zároveň zajistí napájení celé desky.

Z dostupných periferií této desky lze zmínit například: slot na microSD kartu, HyperRAM o kapacitě 64 Mb a SPI flash pamět o kapacitě 128 Mb.

ULX3S (FPGA Lattice ECP5)

Nové FPGA Lattice ECP5 je použito také na desce ULX3S, která je velmi bohatá na množství periferií. K dispozici by mělo být několik variant lišící se velikostí osazeného FPGA. Cena této vývojové desky by se měla pohybovat v rozsahu od 60 $ do 200 $.

Z velkého množství periferií lze například uvést: SDRAM paměť s kapacitou 256 Mb, Flash paměť s kapacitou až 128 Mb, slot na microSD kartu, GPDI konektor, Real-time Clock, ADC převodník, 8 uživatelských LED, 6 uživatelských tlačítek, 4 PMOD konektory a další.