2016年11月09日

FPGA

マルツパッケージ MAX10 FPGA入門基板 好評発売中です

マルツエレックではCQ出版×アルテラ社×マルツエレック 協賛企画、トランジスタ技術2016年4月号増刊『FPGA電子工作スーパーキット』に連動し、同書付録基板の部品実装済み品、マルツパッケージ【MAX10-FB(FPGA)基板】と【MAX10-JB(JTAG)基板】、【MAX10-EB 拡張基板】の3種類を好評発売中です!

トランジスタ技術2016年4月号増刊「FPGA電子工作スーパーキット」企画

 

 

◎いまなぜ、FPGAなのか?

デジタル回路をソフトでプログラミングできるFPGA。マイコンでは取り扱いが困難な多チャンネル&高速の信号処理に盛んに利用されています。

一般的にデジタル回路を使うことで、センサを組合わせて出力を調整したり、複雑で細かなパターンの出力を得たりと、複雑な動きを実現できます。ただしデジタル回路はアナログ回路とちがい、たくさんの配線が必要です。大規模な回路になればなるほどロジックICをハンダ付けして作っていくのはなかなか骨が折れます。

そこでおすすめしたいのがFPGAです。FPGA(Field Programmable Gate Array)とは、「あとから機能を変更できるIC」です。

FPGAのチップの中に、CPU、メモリ、通信機能、タイミング・シーケンサ、演算アクセラレータ、 画像処理機能、音声処理機能、デジタル・フィルタなど自分の好きな論理機能を自由に組み上げることができます。一度作った回路を改良するのも、実際の配線を繋ぎ直す必要もなく、とても簡単です。

 

FPGAなら研究開発でも、学習でも、趣味でも希望のデバイスを手軽に実現できます

FPGAを活用して、例えば高速・多チャンネルのロジック・アナライザや、フルデジタルの動画カメラのような高度なデジタル・システムまで、自分で作ることができます。

▽FPGAが利用される場面とその重要性

(1) 独自の論理機能や、独自のインタフェースを実現するとき

(2) マイコンやSoCのソフトウェアによるシーケンシャル処理では性能が出せないとき

(3) 究極の並列処理を実現したいとき

さまざまな種類の演算ブロックをパラレルないしはカスケード状に接続して、パイプライン的にどんどんデータを流して処理させるのにFPGAは適しています。

(4) 特殊なI/Oインタフェースが必要なとき

(5) 汎用の高速シリアル・インタフェースが必要なとき

FPGAでは、任意の用途に使える汎用LVDS(送信用、受信用)インタフェースが用意されています。 さまざまなLVDSインタフェースを持つデバイス(高速A/D変換器など)とFPGAを、少ない信号線で接続できます。

 

▽手軽に始めるFPGA応用例

<応用例>

・オリジナルMCUを作る

・ビンテージCPUの復刻

・星空案内(StarFinder)を作る

・FPGA式スーパ・ヘテロダインAMラジオ

・並列コンピュータ・システム

 

 

◎統合化開発環境も無償!FPGAを身近にするMAX10

便利なFPGAを更に身近にするのがAltera社の最新デバイスMAX10シリーズです。MAX10はデバイス本体にコンフィグレーション記憶用のフラッシュ・メモリを内蔵し、 そこにソフトウエア32ビットCPUコアである「NIOSⅡ」も実装できます。

無償&無期限で使えるFPGA開発ツール!統合化開発環境Quartus Prime Lite Edition

MAX10の開発ツールとしては、統合化開発環境Quartus Prime Lite Editionがあります。 Quartus Prime Lite Editionは、FPGAの論理合成・配置配線・タイミング検証・コンフィグレーションまでの一連の作業を行ってくれる統合化開発環境ですアルテラのWebサイトからダウンロードし、無償・無期限で使うことができます(myAlteraへの登録が必要です) 。

 

システム構築ツールQsys

FPGAの開発ではIP(Intellectual Property)コアと呼ばれる、機能でまとめられた回路を利用します。 SRAMやA-DコンバータなどのハードIP、シリアル・ポートやUSBなどのソフトIPといった、使用頻度の高い機能については出来合いのIPコア を利用できること場合がほとんどです。これを利用すれば、一般的な機能をつど自分で作る必要がありません。

Altera社からはソフトCPUコアのNIOS IIやその周辺機能機能をはじめ、さまざまな IPモジュールが提供されています。 これらのモジュール間はバス・割り込み要求・DMA転送要求など多くのインタフェース信号で結線する必要がありますが、この作業をサポートしてくれるのがQsysです。 QsysはQuartus Primeの上から起動できますQsys画面上のわかりやすいモジュール結線図の上で、信号結線や各モジュールの機能設定を行ってシステム全体を構築してから、 論理記述(Verilog HDLやVHDLのRTLコード)を生成します。 この記述をQuartus Primeに渡してFPGAの合成からコンフィグレーションまで進めることができます。

 

 

マルツで販売する3種類の基板の特長とは

MAX10-FB(FPGA)基板 全実装版  ¥5,980(税抜)

今回マルツで発売するMAX10−FB基板にはMAX10シリーズのうち、入手性の高い10M08SAE144C8Gが搭載されています。 このデバイスはロジック・エレメント8000個(論理ゲート数換算でおよそ80000〜90000ゲート)。このゲート数を活用すれば32ビットCPUやSDRAMインターフェース、グラフィック制御、通信やタイマなどの周辺機器まで、チップ内に持たせることができます。 これが3.3V単一電源で動作します。 MAX10-FB基板はブレッド・ボードにも搭載可能なコネクタ(ピン・ヘッダ)が出ていますので、手軽に活用できます。 マルツのMAX10−FB基板の裏面にはSDRAMも実装済です。

 

特長

●本基板はブレッドボードに搭載できるコネクタが出ているので手軽に活用できます。
●基板裏面には 54 ピン TSOPII SDR(Single Data Rate) 型の SDRAMが実装されております。
●書籍付録の基板に部品セットを実装した完全実装版。


写真1 MAX10-FB基板の単体使用例

 

仕様

基板外形 55.88mm × 35.56mm
デバイス 10M08SAE144C8G
スイッチ プッシュスイッチ
クロック 48MHz 発振器搭載
SG8002DC-PCB-48MHz(エプソントヨコム)
電源 外部3.3V供給
LED 3色RGB フルカラーLED

 

 


 

Altera社のUSB Blasterと等価な機能を持つUSB-JTAG変換基板
MAX10-JB(JTAG)基板 全実装版  ¥3,480(税抜)

一般的にFPGAをコンフィギュレーションする(論理機能を書き込む)ために、JTAG(Joint Test Action Group)ケーブルという専用ツールが必要です。 MAX10-JB基板は、Altera社のUSB Blasterと等価な機能を持つUSB-JTAG変換基板です。PICマイコンでUSBをJTAGに変換しています。 USBケーブルと本基板を経由してパソコンのツール上で作成したコンフィグレーション・データを、MAX10-FB基板上のFPGAに書き込むことができます

またMAX10 FPGAデバイスへの電源供給も可能です。 JB基板はFPGAのコンフィグレーションだけでなく、Altera社のソフトウエアCPUであるNiosⅡのソース・レベル・デバッグや、MAX10内のユーザ・フラッシュ・メモリへの書き込みにも対応します。

 

特長

●MAX10-FB基板の書き込みボードとしての役割があります。
●単独として、アルテラ社の FPGA コンフィグレーション用 USB-Blasterケーブルと同様の機能を搭載しております。
●MAX10 FPGA デバイスへの電源供給とコンフィグレーションが可能です。※JTAG インターフェースのみサポート

写真2 MAX10-FB基板の上にMAX10-JB基板を接続

MAX 10のコンフィグレーションやMAX 10内FLASHメモリへの書き込みは、Quartus Prime Programmerを立ち上げて行います。 MAX10-JB基板がUSB Blasterケーブルとして認識され、MAX 10をコンフィグレーションします。

 

 


 

MAX10-FBと、Raspberry Piをインターフェースできる
MAX10-EB 拡張基板  ¥3,980(税抜)

いまや多くの場面で手放せなくなったRaspberry Pi。

Raspberry PiをMAX10−FB基板に接続すると構築できるシステムの幅が広がります。MAX10ーEB基板を挟むことで、FPGA搭載のMAX10ーFB基板と、Raspberry Piの各種GPIO(General Purpose Input/Output)端子を結線できます

 

特長

●MAX10-FB基板と、Raspberry Piを接続する拡張基板です。
●さらにRaspberry Piの拡張基板や、MARY基板を搭載することができます。
●複数枚重ねることができますので、大規模システムの構築も可能です。

写真3 Raspberry PiとMAX10−FB基板をEB基板を挟んで重ねた様子

MAX-10でRaspberry Piの機能を拡張したり、逆にRaspberry PiをFPGA内の論理回路のユーザ・インターフェースとして使ったり、 Raspberry Piのネットワーク機能をFPGA側から活用することも可能になります。

仕様

基板外形 85mm × 56mm
電源 3.3V 1.5A LDO(LT1963) 搭載
コネクタ RPi 接続用、FB 基板接続用スロット、JTAG 接続用、MARY 基板接続用スロット

 


 

【書籍】MAX10実験キットで学ぶFPGA&コンピュータ  ¥6,000(税抜)

 

論理回路の初歩、HDL/C言語開発からソフトCPU組込み、LinuxI/Oボード連携まで

MAX10実験キットで学ぶFPGA&コンピュータ
※本書には基板は付属していません

 

本書は、MAX 10 FPGAの体験版的な位置づけの姉妹書「(1)MAX10(2)ライタ(3)DVD付き! FPGA電子工作スーパーキット(272頁、B5判、基板付き)」の解説部を大幅に加筆し、MAX 10 FPGA、および姉妹書の付属基板 MAX10-FBの使い方を600頁で網羅したものです。

「(1)MAX10(2)ライタ(3)DVD付き! FPGA電子工作スーパーキット」の解説に加え、論理回路設計の基本、C言語を使った今どきの開発手法、32ビットのソフトCPUコア NIOS IIを組み込んだスペシャル・ワンチップ・マイコン製作、大人気のホビー用Linux I/Oコンピュータ「ラズベリー・パイ」を使ったIoT機器開発事例などを紹介しています。
また、1971年に発表された元祖マイコン「インテル 4004」をMAX 10で再現して電卓を製作し、コンピュータの本質を理解します。

付属DVD-ROMには、MAX 10の開発ツール一式、本書の製作記事用に自作したサンプル・プロジェクト一式が収録されています。

<ご注意>
本書の姉妹本に、2016年4月に刊行した「(1)MAX10(2)ライタ(3)DVD付き! FPGA電子工作スーパーキット」がありますが、在庫僅少品にて、近く売切れが予測されます。
本書は、「(1)MAX10(2)ライタ(3)DVD付き! FPGA電子工作スーパーキット」を大幅加筆したもので、姉妹書の全内容が含まれております。
内容をご確認の上、ご購入くださいますようお願いいたします。

 

 


 

【書籍】MAX10実験キットで学ぶFPGA&コンピュータ  ¥6,000(税抜)

 

(1)解説書(600頁) (2)MAX 10 (3)ライタ (4)電子部品 (5)開発用DVD入り

完全版 FPGA電子工作オールインワン・キット

 

本書は、現代のFPGA開発のすべてをゼロからマスタできる実験キットです。
この1冊で、C言語を使った今どきの開発手法、Linux I/Oコンピュータ「ラズベリー・パイ」を使ったIoT機器製作、32ビット・ソフトCPUコア NIOSIIを使ったワンチップ・マイコン開発までを動かしながら学習できます。

<ご注意>
本書の姉妹本に、2016年4月に刊行した「(1)MAX10(2)ライタ(3)DVD付き! FPGA電子工作スーパーキット」がありますが、在庫僅少品にて、近く売切れが予測されます。
本書は、「(1)MAX10(2)ライタ(3)DVD付き! FPGA電子工作スーパーキット」を大幅加筆したもので、姉妹書の全内容が含まれております。
内容をご確認の上、ご購入くださいますようお願いいたします。

 

 


【書籍】トランジスタ技術2016年4月号増刊
①MAX10 ②ライタ ③DVD付き! FPGA電子工作スーパーキット  ¥4,500(税抜)

 


32ビット・スペシャル・マイコンからビンテージICまで・・・わがままチップ作り放題!!

 

ほとんどのFPGAは、回路構成情報をSRAMなどの揮発性メモリ素子で保持するため、電源を切ると回路構成情報が失われてしまいます。そこで、回路構成情報を保持するROM(FPGAコンフィグレーション用ROM)をデバイスに外付けし、電源投入と同時にFPGA内にダウンロードし動作を開始するのが一般的です。

また、デバイスを動作させるために供給する電源も、コア電源とI/O電源といったように複数系統に分かれ、しかも異なる電圧の電源を供給する必要があります。

そのようなFPGAの世界に、FPGAコンフィグレーション用ROMを内蔵し、3.3V単一電源のみ供給すれば動作する、さらには手作業でのはんだ付けも可能なQFPパッケージも用意されているなど、使い勝手の良いデバイスが登場しました。それがAltera社製最新デバイス“MAX10”です。

さらにMAX10では、Altera社デバイスとして初めてA-Dコンバータも内蔵されました。
本増刊号は、MAX10を搭載した基板を付属し、MAX10を徹底的に活用するための解説本です。

 

 


 

MAX10-FB基板仕上げ部品セット  ¥1,300(税抜)


トランジスタ技術2016年4月増刊付録のFPGAボードを使いやすくする部品セット!!

セット内容 SDRAM(256Mbit) / クリスタルオシレータ(48MHz)
各種コネクタ(ピンヘッダ、ソケット)

 

 


 

MAX10-JB基板仕上げ部品セット  ¥1,680(税抜)


トランジスタ技術2016年4月増刊付録の生基板をUSB-Blasterに仕立てて上げる部品セット!!

セット内容 PICマイコン / レギュレータIC(3.3V出力) / 抵抗、コンデンサ
各種コネクタ(ピンヘッダ、ソケット)

 

 


 

◎3種類の基板の応用例

導入の容易さが際立つMAX10-FBは、ものづくりの幅を広げてくれます。

Raspberry Piやそのシールド、MARY基板など、複雑な入出力が可能なモジュールと組みあわせて高度なシステムを構築できるMAX10−FB基板、JB基板、EB基板は、ハイレベルなものづくりに携わる方から、理工系や工芸系の大学生、大学院生の皆さんにもおすすめです。

MAX10−FB、JB、EBの3種類の基板の詳しい使い方はCQ出版から近日刊行の書籍『トランジスタ技術4月号増刊号 FPGA電子工作スーパーキット』(著者:圓山宗智先生)で解説されています。

応用例1 FB基板×EB基板 + Raspberry Pi + シールド

EB基板を介して、MAX10−FB基板と、Raspberry Pi、タッチLCDパネル・ボードやアナログ・ボードなどのRaspberry Piの拡張基板(シールド)や、 HAT規格(Hardware Attached on Top)の基板を重ねることができます。

例えば、MAX10ーFB基板を載せたEB基板とRaspberry Piを接続し、その上に更にタッチLCDボードを重ねれば、 FPGA内の論理回路をタッチLCDから制御することも可能です。

 

応用例2 FB基板×EB基板 + Raspberry Pi + MARY基板×EB基板

MAX10ーEB基板には、マルツエレックのMARY基板シリーズも接続可能です。MARY(MCU Array)基板シリーズにはOLED基板GPS基板XBee基板カメラ搭載基板などがございます。

MAX10ーEB基板は複数枚重ねて使うこともできます。Raspberry Pi、MAX10−FB基板を載せたEB基板、MARYを載せたEB基板を三枚重ねにすれば、大規模なシステムの構築も容易になります。


図1 MARY基板とMAX10−FB基板をEB基板を挟んで重ねた様子

 

応用例3 FB基板×EB基板 + Raspberry Pi + JB基板

JB基板も組み合わせてRaspberry Pi上でJTAG Playreを走らせれば、  Raspberry PiからMAX10−FB基板上のFPGAをコンフィグレーションすることも可能です。

 

参考文献&引用元文献

『トランジスタ技術』2015年11月号 CQ出版

圓山宗智,『FPGA電子工作スーパーキット』CQ出版,2016年

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