ComProcWorkshop/第1章：数値をLEDに表示する

ドットマトリクスLEDに数値を表示する方法を学ぶ

ComProc CPU Board Rev.1 に搭載されているドットマトリクスLEDは8×8=64ドット

64個のLEDを一斉に光らせるのは難しい

Tang Nano 4Kには64本ものIOは無い

8個のLEDなら一斉に光らせるのは簡単

まずは1行だけ光らせてみる

ドットマトリクスLEDの仕様

OSL641501-BRA のデータシートによれば、内部の配線図は次の通り

https://gyazo.com/d419044cd7461d121f8477edc3af3027

行方向で見ると、LEDのアノードが共通に接続され、カソードが個別に制御できるようになっている

好きな場所を光らせる

例えば左上2カ所のLEDを点灯させるには、次のようにする

https://gyazo.com/6b230b648ce2383180a495151714e31a

9番ピンに電源（5Vとか）を供給した状態で

13番ピンと3番ピンを0Vに接続（短絡、スイッチON）し

ただ短絡すると過大電流でLEDが壊れるので、抵抗を挟む

4、10、6、11、15、16番ピンはどこにも接続しない（解放）

電子スイッチ

先の回路図は機械スイッチだった

実際には電子スイッチを使う

MOSFETというスイッチ

FPGAからON/OFFを制御できる

スタティック vs ダイナミック

これで1行だけ光らせることができる。→スタティック点灯

高速に1～8行目を順に点灯させることで、人間の目には全体が光っているように見せることができる。→ダイナミック点灯

明るさは1/8になる

ComProc CPU Board Rev.1はダイナミック点灯が前提の設計になっていて、それくらいがちょうど良い

やってみよう：スタティック点灯

FPGAボードのサンプルプログラムを試す

ワークショップのサンプルコード置き場

chap1/board/rev2_tangnano9kがComProc CPU Board Rev.2用のコード

SRAM Programで書き込むことで、初期プログラムが消されずに済む

ドットマトリクスLEDの最上段が10101010のパターンで点灯する

点灯させる行や列を変えてみる

Tang Nanoへのプログラムの書き込み方法についての参考資料

Sipeed Tang Nanoで遊んでみる (Linux版)

SiPeed Tang Nanoの環境構築(Windows編)

サンプルコード解説

main.svが中核となるコード

記述言語はSystemVerilog-2017

module main(入出力定義);～endmoduleはmainという名のモジュールを定義

「入出力定義」はモジュールの入出力信号を定義

～endmoduleにモジュールの内容を記載

モジュール

FPGAの回路記述をまとめる単位

電子部品で言うと「IC」のようなもの

入出力端子があり、何らかの機能を実現する

どのくらいの粒度でモジュールに分けるかに決まりはない

他のモジュールから利用されないものをトップレベルモジュールという

module mainはトップレベルモジュールである

入出力定義

モジュールの入出力信号を列挙する

C言語でいう「関数の仮引数」のようなもの

input sys_clkのように、単に信号名を書くと1ビットの信号

複数ビットを束ねる場合は[7:0] led_colのように添え字を書く

ピン定義

port.cst 信号名と物理的なピンの対応を定義する

拡張子はPhysical Constraints（物理的制約）の意味

IO_LOC "ピン名" ピン番号;

IO_PORT "ピン名" ピンの設定;

ピン定義の例

code:port.cstより

IO_LOC "sys_clk" 45;

IO_PORT "sys_clk" PULL_MODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33;

Tang Nano 4Kには27MHzの発振器が載っていて、45番に接続されている

PULL_MODE=NONE: 入力のプルアップ/プルダウン抵抗を無効にする

IO_TYPE=LVCMOS33: 入出力電圧を3.3Vに設定する

Tang Nano 4Kではどのピンを何Vに設定すべきかが規定されている

継続代入文

信号に値を継続的に代入する

「配線」に相当

assing 信号名 = 値;

assign led_col = 8'b10101010;

led_colの偶数ビットに0を、奇数ビットに1を「配線」する

継続代入文と信号の変化

右辺に現れる信号が変化するたびに代入される

assign led_row = rst_n ? 9'b000000001 : 9'd0;

rst_nが変化すると値が再計算され、led_rowが更新される

整数リテラルの記法

ビット幅 ' 進数値

9'd0は、9ビットの0

8'b10101010は、8ビットの170

0b10101010 = 0xAA = 170

always文

always @(センシティビティリスト) begin～end

センシティビティリストに列挙された信号が変化した際にbegin～endを実行

always @(posedge sys_clk)はsys_clkの立ち上がりエッジで実行

手続き代入とlogic

手続き代入：always文の中にある代入

rst_n <= rst_n_raw;

手続き代入を行う信号はlogicとして宣言

logic rst_n;

クロック

FPGAは一般的にクロックに同期させて回路を動かす

sys_clkは27MHzの発振器が接続されているので、これを使うのが手軽

スイッチとチャタリング

rst_n_rawはタクタイルスイッチが接続されたピン

https://gyazo.com/93fd84b630fdc2e02ce79f2d07485ca2/thumb/150.jpg

スイッチを押したときと離したときにチャタリングが起きる

タクタイルスイッチのチャタリングを検証

チャタリングの緩和

チャタリングを緩和するためにクロックに同期して読み取る

code:Verilog

always @(posedge sys_clk) begin

rst_n <= rst_n_raw;

end

チャタリングが起きていても、クロックのタイミングでしか読まないので比較的安定する

やってみよう：ダイナミック点灯

1msくらいで点灯する行を切り替える

1msの時間待ち：クロックをカウンタで数える

行の切り替え：led_rowの中の1にするビットをずらす

000000001→000000010→000001000→……

ダイナミック点灯のサンプルプログラム

カウンタを用いた時間待ち

code:Verilog

always @(posedge sys_clk, negedge rst_n) begin

if (!rst_n)

counter <= 16'd0;

else if (counter >= PERIOD - 1)

counter <= 16'd0;

else

counter <= counter + 16'd1;

end

https://gyazo.com/26b3bd755c3460f2a42201da8d5b2636/thumb/350.png

行の切り替え

row_indexを「点灯する行」の番号とする

led_rowの中の1になるビットの位置とも言える

code:Verilog

assign led_row = led_on(counter) << row_index;

always @(posedge sys_clk) begin

if (!rst_n)

row_index <= 3'd0;

else if (counter == 0)

row_index <= row_index + 3'd1;

end

先頭の行でだけLEDを光らせる

led_colがLEDの点灯パターンを表す

code:Verilog

assign led_col = led_pattern(row_index);

function 7:0 led_pattern(input 2:0 row_index);

case (row_index)

3'd0: led_pattern = 8'b10101010;

default: led_pattern = 8'b00000000;

endcase

endfunction

行切り替え時の消灯

点灯させたまま行を切り替えると、前後の行がうっすら光ってしまう

ドットマトリクスLEDの行を切り替える前後で消灯させる

code:Verilog

function led_on(input 15:0 counter);

led_on = (GAP <= counter) && (counter < PERIOD - GAP);

endfunction

https://gyazo.com/05362c9fc2f4e4789f71a9aca4e16cf3/thumb/400.png