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こんにちは。 大学時代の履修登録の段階で C 言語を除外した 無知無知くん です。 これまで色々と学びながら 製作実習の ステップ 3. ソフトウェア設計までやってきました。 |
今回は いよいよ最終章！
ステップ 2 で設計した回路を、今度は インテル® の Nios® II ソフトコア・プロセッサーを用いて "ソフトウェア言語" で設計します。
さて、再現なるか？
※ 第一段<仕様書・基板作成編>、第二段<ハードウェア設計編> も併せてご覧ください。
目次
- ハードウェアデザインに Nios® II を組み込む
- C 言語で設計
- Nios® II のブートプログラムをコンフィグレーションデータに入れる
- 知らなくてヤバかったこと
- こうしときゃぁ良かったなポイント
- 終わりに
ハードウェアデザインに Nios® II を組み込む
C 言語で書いたプログラムを FPGA で実行するためには、Nios® II ソフトコア・プロセッサー (以下 Nios® II) を組み込みます。
※ Nios® II に関する情報は、こちらのコンテンツをご覧ください。
Quartus® Prime から Platform Designer を起動し、Nios II プロセッサーと 必要なモジュール、PIO などのペリフェラルを構築しました。
| ハードウエアデザインのイメージ | Platform Designer (一部) |
C 言語で設計
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Verilog HDL (ハードウエア言語) で設計した動作と 全く同じ動きを、Nios® II に再現させるための C 言語を設計します。 そこで 無知無知くんは、今までの技術研修で使用した資料を漁りまくりました。
そして、usleep() 関数を使えば 簡単に時計が作れそうだとわかりました。
while 文と usleep() 関数を使い、１秒を作りました。 Verilog HDL ではクロックをベースに作りましたが、C 言語では 1秒、１μ秒 単位で動作を停止することができる関数があるとは、こりゃ便利～！
これを 23:59:59 まで続け、1秒後には 0:00:00 に戻るという仕組みにしました。 |
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| 1万 μs ごとに flag を +1 100万 μs (1s) になると、次のループへ |
Nios® II のブートプログラムをコンフィグレーションデータに入れる
Quartus® Prime の Nios® II Software Build Tools for Eclipse (以下 Nios® II SBT) の Run Configuration 機能を使用し、作成した C プログラムを Nios® II に実行させ、完成したつもりでいた無知無知くん。
ここで先輩が一言。
「あ、そうそう。
Nios® II のブートプログラムは、FPGA のオンチップメモリーに入れておいてさー、
んで、FPGA の起動時に Nios® II が実行できるようにしておいてね。」
この後 自分がやっていた作業は "単なるデバッグ" だったことを知りました。
つまり、ハードウェアを FPGA に書き込んだ後に 一時的にオンチップ・メモリーに Nios® II のプログラムを転送し、
初期動作の確認をしていただけだったのです。
さらに 先輩はこう続け 去って行きました。
「あ、それ Web 記事に出てるからね～」
おぉ、助け舟！
早速 先輩が教えてくれた記事を検索し インテル FPGA の Nios II で はじめての L チカ！ Part 2 を参考に。
結果、FPGA に電源を供給するだけで Nios II が無知無知くんの書いたプログラムを実行してくれ、拡張基板上の 7セグメント LED やドットマトリクス LED を動作させることができるようになりました☆
これで、"いちいち ハードウェアのプログラムを書いた後に ソフトウェアのプログラムをダウンロードする" 手間が省けました。
(確かに、いちいちそんなことをしなきゃいけないんじゃ 製品にならないもんね、と納得。)
そんなこんなで、ステップ 3 の課題を終えました。
振り返ってみると...
知らなくてヤバかったこと
知らヤバ 1. ハードウェアへの Nios® II の組み込み方
Nios® II が実行するプログラムの内容は正しいはずなのに、Nios® II SBT 上でデバッグしても "反応が何もない" という事態が発生。
コードの内容をシンプルに変更しても 変化が見られず、無知無知くん プチパニーーーック！！
要因は、単なる 無知無知くんの操作ミス。
Platform Designer で作成した Nios® II システム・デザインと、Verikog HDL に組み込んがシステムのモジュール名が "一致していない" からでした。
通常は、このような不一致は Quartus® Prime のコンパイルでエラーになります。
今回は、「サンプルデザインを参考に、そこから応用するぞ！」という意気込んでいたため、
完成されたサンプルのプロジェクトをそのまま流用し 編集しながら構築したせいで、このような事態になってしまいました。
しかも、Nios® II SBT で作成するソフトウェアプロジェクトは、Verilog HDL に組み込まなかった無知無知くん製の .sopcinfo で作成していたため、Quartus® Prime の使い方があやふやな状況も相まって、余計に原因究明に時間を費やしてしまいました。
サンプルのプロジェクトをそのまま使わずに、"参考に見るだけ" にすれば良かったです。
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また、ハードウェア・デザインとソフトウェアの一致性は、System ID Peripheral Intel FPGA IP を使用することで、解消できたそうです。 (System ID Peripheral Intel FPGA IP の概要は、こちらをご覧ください。)
あとで先輩に教わりました。 先輩…、早く知りたかったっす。 |
知らヤバ 2. Verilog HDL と C 言語 の処理の違い
逐次処理と並列処理 のブログを書いた ぽき 先輩とは逆に、Verilog HDL に慣れてきて並列処理の感覚がわかり始めた無知無知くん。
Verilog HDL のノンブロッキング代入だと並列処理なので、順番をあまり気にせずに記述できることと比べ、C 言語は逐次処理なので、{ } の中でループ、外に出たときの動作を記述する際など、記述順序が非常に重要で、
そのルールに慣れることに 時間がかかりました。
例えば
ハードウェア言語で時計を設計する場合、
左下図のように <秒>の値に応じて<分>がカウントアップし、<分>の値に応じて<時>がカウントアップさせていて、
それらの動作(処理)を同時におこないます。
一方で C 言語では、
右下図のようにひとつずつ順番に処理をおこないます。
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ブツブツつぶやく無知無知くん 「あぁ 上から順番に処理されるんだよね…そっか」って この頃は ひとり言を何度もつぶやいていた気がします。
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| ブツブツつぶやく無知無知くん |
知らヤバ 3. Interval Timer Intel FPGA IP
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Interval Timer Intel FPGA IP は、 Platform Designer に用意されている Nios® II processor の HAL API Driver に対応した IP です。 (この存在を 製作実習終了後に知りました。)
このライブラリーには、alt_ticks_per_second() という関数があるみたいです。 1 秒あたりに経過するシステムクロック・ティックの数を返す関数らしく 応用することで時計が作れそうでした。 |
他にも alt_alarm_start()、alt_alarm_stop() 関数を使えば
複雑な記述無しに 時計にアラーム機能まで搭載することができちゃう！(かも？)
時計を作る際には、便利そうな関数です。
作動している間、すべての処理が指定の時間 停止するので
並行した処理をさせるコード作るのが 無知無知くんには難しく、
ドットマトリクス LED に複雑な表示をさせることを断念。
しかし、これらの関数を使えば
時計を動かしながら、ドットマトリクス LED に また違ったアニメーションを投影することも可能だったかもしれません。
悔いが残ります。
知らないって、損だな。
こうしときゃぁ良かったなポイント
ソフトウェア設計 (ステップ 3) では、今までの ステップ 1 や ステップ 2 の反省点を肝に銘じたため、とんでもない失敗はありませんでした。
が、やはり「こうしときゃ良かった」と実感したことが、いくつかありました。
作業全体の流れを把握して、やるべきことを明確化してから進めれば良かった
各種ペリフェラルの設定を確認したり、コードにどんな関数が使えそうか、などのリサーチ不足でした
事前に感覚をつかめるコンテンツ (演習問題など) があるのだから、先に試せば良かった
あれれ？このセリフ、ステップ 2 でも言ったような…
IP のパラメーター設定や Nios® II 開発の環境構築は、ステップ 2 の作業中に慎重におこなうことが大切だと理解していましたが、
ここ ステップ 3 でも 改めて学びました。
空中配線による不具合発生！
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製作実習発表会の数日前、 プッシュボタンや その周辺に軽く手で触れるだけで 7セグメント LEDが反応してしまう事態が発生！ これは 空中配線 が要因です。はい。
基板の角度やボタンの触り方によっては 正常に動作するので、 とてつもなく不安定な配線でした。
「発表会までは 生きててくれよ！」と、無知無知くんの祈りが通じたのか 何とか発表はできましたが |
もし来年の新入社員くんに「先輩の拡張基板、動作させてるの見せてください」とか言われると
その時に基板が生きているか自信がありません。ごめんなさい！
終わりに
製作実習の社内発表会も無事に終わり、無知無知くんも ほっと一息。
この実習で培ったことが、今の OJT に役立っています。
実習中はワケモワカラズでしたが、今思うと 無駄な苦労はない！
製作実習前 先輩に質問したことがありました。
「仕事をマルチタスクでこなすには、どうしたらいいですか？」
「マルチタスクなんて実は無い。同時にこなしているように見えて 同時じゃない。
１個ずつに集中して取り組んだり、隙間時間を利用したり。細かいスケジュール管理のおかげで そう見えているだけなんだ」
と先輩。
おっしゃるとおりです！
そのことを今ふと思い出し、
なんだか、ダイナミック点灯みたいだな、と思ったと同時に
"マルチタスク" という言葉の響きだけで、ざっくりな質問をしてしまった過去の自分の甘さを恥じました。
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以上で、2022年度 新卒社員 無知無知くんの奮闘記 は完結です。 気づけば、あと数か月で後輩が入社してくるんですね。
頼られる 無知無知パイセン になれるよう、これからも頑張ります！ |