IoT の成長から人工知能の登場に至るまで、フィールド プログラマブル ゲート アレイはエレクトロニクスの未来に向けて着実に前進しています。 フィールド プログラマブル ゲート アレイの開発は、その汎用性と継続的なコストの低下により、さまざまな分野やアプリケーションでますます人気が高まっています。 ただし、ガジェットが小さくなり、より多くのリンクが得られると、一部のガジェットが使いにくくなり、開発が非現実的になる場合があります。 一方、フィールド プログラマブル ゲート アレイはデバイスの開発に役立つことが多いため、リンクを使用して離れた場所からデバイスを制御すると有利になる場合があります。

FPGA は、あらかじめ決められた一連のタスクを実行するようにプログラムされた IC です。 FPGA はプログラム可能であるため、さまざまなアプリケーションの固有の要件に合わせて FPGA を変更できます。 一方、Arduino は、迅速かつインタラクティブな電子機器のプロトタイピングのために作成されたマイクロコントローラー ボードです。 そのオープンソース インフラストラクチャは、さまざまな取り組みに対応しています。

FPGA

FPGA と呼ばれるデジタル回路は、あらゆる論理演算を実行できます。 PLB (プログラマブル ロジック ブロック) は FPGA の構成要素であり、これらを組み合わせて任意のデジタル回路を形成できます。 PLB は、AND、OR、XOR、NOT ゲートなどのさまざまな論理関数を生成できます。 さらに、PLB は数学演算やメモリ ストレージなどの他のタスクにも適しています。

従来のデジタル回路に対する FPGA の利点は数多くあります。 第二に、FPGA は再プログラムできるため、柔軟性があり、さまざまなアプリケーションに適応できます。 第 2 に、FPGA は多くのタスクを実行できるため、さまざまなデジタル回路の役割を担うことができます。 第三に、従来のデジタル回路では実現不可能な複雑なデジタル回路をFPGAで構成することができます。

Arduino

Arduino と呼ばれるマイクロコントローラー ボードは、迅速かつインタラクティブな電子機器のプロトタイピングに最適です。 Arduino ソフトウェアは、Arduino ボードの中心となるマイクロプロセッサをプログラムします。 Arduino ソフトウェアに含まれるライブラリとツールを使用すると、コードを簡単に作成してマイクロコントローラーにアップロードできます。 さらに、Arduino ボードの入力ピンと出力ピンは、センサー、アクチュエーター、その他の電子デバイスに接続できます。

電子機器の知識がなくても、Arduino ハードウェアとソフトウェアを使用してプロジェクトを簡単に開発できます。 さらに、Arduino ボードは低コストで使いやすいため、学生や愛好家の間でも人気があります。

FPGA を Arduino ボードに接続する

2 つの部分を接続することは、Arduino で FPGA を使用するための最初のステップです。 接続手法は、使用する特定の FPGA および Arduino ボードによって異なります。 FPGA を Arduino にリンクするには、通常 2 つの方法があります。

GPIO ピン: Arduino ボード上の汎用入出力 (GPIO) ピンを使用するのは、FPGA を Arduino に接続する最も簡単な方法です。 ほとんどの Arduino ボード上のいくつかの GPIO ピンは、外部電子機器と接続できます。 まず、GPIO ピンを使用して FPGA を Arduino にリンクする場合の通信に役立つ、Arduino と FPGA の両方の正確なピンを決定します。 これらのピンを見つけたら、それらをピンまたは固有の PCB にリンクできます。

シールド: シールドの使用は、FPGA を Arduino にリンクするもう 1 つの方法です。 Arduino ボードの機能は、事前に構築されたモジュールである Arduino シールドを取り付けることで向上します。 FPGA を Arduino に固定するために、さまざまな FPGA シールドが使用できます。 多くの場合、これらのシールドのポートにより、FPGA を Arduino ボードに直接接続できます。

Arduino FPGAのプログラミング手順

Arduino FPGA は、独自のハードウェア回路を設計し、プログラムで操作するための多用途プラットフォームです。 FPGA を使用して、データ処理、信号フィルタリング、制御ロジックなどの特定の操作を実行する複雑なデジタル システムを作成できます。

ハードウェア記述言語 (HDL) を利用してハードウェア設計を作成し、その設計をビットストリームに合成し、そのビットストリームを FPGA チップにアップロードすることで、Arduino FPGA をプログラムできます。 以下に各アクションを詳しく説明します。

ステップ 1: 必要なソフトウェアとハードウェアをインストールする

Arduino FPGA のコードを書き始める前に、開発環境をセットアップする必要があります。 これには、Arduino FPGA ボードをコンピュータに接続し、HDL コンパイラ、合成ツール、FPGA プログラマなどの必要なソフトウェア プログラムをインストールする必要があります。

FPGA の設計と合成に使用される Xilinx Vivado 開発スイートは、環境のセットアップと Arduino Web サイトで入手可能なソフトウェアのインストールに関する詳細な手順に含まれています。 次のステップは、Arduino FPGA ボードを接続してソフトウェアをインストールした後に行うことができます。

Arduino IDE をダウンロードしてインストールします。Arduino 統合開発環境を使用してコードを開発し、FPGA ボードにアップロードします。 Arduino IDE の最新バージョンは、Arduino の公式 Web サイトからダウンロードできます。

Arduino IDE をインストールした後、FPGA ボード サポート パッケージをインストールする必要があります。 このパッケージには、FPGA ボードのプログラミングに必要なファイルとライブラリが含まれています。 Arduino IDEの「ツール」メニューから「ボード」を選択し、「ボードマネージャー」を選択すると、ボードサポートパッケージをインストールできます。 ボードマネージャーで使用しているFPGAボードを見つけて、「インストール」を選択します。

PC を FPGA ボードに接続する: USB コードを使用して FPGA ボードを PC にリンクします。 コンピュータはすぐにボードを認識するはずです。

ステップ 2: ハードウェア設計を作成する

次の段階では、Verilog や VHDL などの HDL を使用して FPGA ハードウェア デザインを開発します。 ソフトウェア ツールを使用して複雑なデジタル システムを構築およびシミュレーションするために、HDL はデジタル回路の動作とトポロジーをテキストで記述します。

テキスト エディター、または Xilinx Vivado や Quartus II などの HDL をサポートする統合開発環境 (IDE) を使用して、ハードウェア デザインを生成できます。 回路の入力、出力、機能、およびそれを実行する接続と論理ゲートは、設計プロセス全体を通じて定義されます。

ハードウェア デザインを作成したら、次の段階のために Verilog または VHDL ファイルとして保存します。

ステップ 3: コードを記述してコンパイルする

回路を設計してシミュレーションした後、コードの記述を開始できます。 C++ プログラミング言語でコードを作成するには、Arduino IDE を利用します。 コードには、LED のオン/オフやモーター速度の調整など、回路内のさまざまな要素を制御するための重要なコマンドがすべて含まれている必要があります。

問題が発生しないようにするには、コードを作成した後にコンパイルする必要があります。 Arduino IDE に組み込まれたコンパイラは、コードに構文エラーやその他の問題がないか検証します。 次のステップに進む前に、間違いを修正する必要があります。

ステップ 4: プログラムを FPGA にアップロードする

プログラムをコンパイルした後、FPGA にアップロードできます。 以下に示す手順は、プログラムのアップロードに役立ちます。

FPGA ボードと J-Link プログラマーに参加してください。

USB ケーブルを使用して FPGA ボードを PC に接続します。

Arduino IDE で、「スケッチ」>「プログラマーを使用してアップロード」を選択します。

アップロード手順が完了するまでお待ちください。

USB コードと J-Link プログラマーを FPGA ボードから取り外します。

ステップ 5: FPGA でプログラムをテストする

ソフトウェアを FPGA にアップロードした後にテストすることは、すべてが正常に動作していることを確認するために重要です。 FPGA でプログラムをテストするには、次の手順を実行します。

入出力デバイスを FPGA ボードに接続します。センサー、モーター、LED、およびプログラムが対話するその他のコンポーネントは、入出力デバイスとして機能します。 これらのガジェットを適切な FPGA ボードのピンに接続します。

FPGA ボードは次の方法で電力を供給されます。 USB ケーブルまたは外部電源を使用して、FPGA ボードを電源に接続します。

リンクされたデバイスの出力を確認する: 入力デバイスを接続して FPGA をオンにした後、接続されたデバイスの出力を確認して、プログラムが意図したとおりに動作していることを確認します。 プログラムがモーターを制御する場合など、モーターが正しい方向と速度で回転しているかどうかを確認します。 プログラムがセンサーからデータを読み取る場合は、読み取り値の精度を確認してください。

必要な変更を行います。プログラムが正常に機能していない場合は、コードを調べて問題を見つけます。 エラーを修正したり、パフォーマンスを向上させるために、コードの変更が必要になる場合があります。

多数の入力とシナリオを使用してプログラムをテストする: ソフトウェアを完全にテストするには、さまざまな入力とシナリオを使用して、さまざまな状況で適切に機能することを確認します。 たとえば、温度センサーを管理してデータが正しく読み取られることを確認するために、さまざまな温度でプログラムをテストします。

反復して強化する: プログラムをテストした後、必要な調整を行って機能やパフォーマンスを強化します。 次に、プログラムがすべての要件と機能を意図どおりに満たすまでテストと反復を続けます。

使用されるプログラミング言語

 

Arduino

Arduino プログラミング言語は、初心者向けに設計された C++ の簡易バージョンであり、Arduino プラットフォーム用のアプリケーションを作成するためによく使用されます。 たとえば、Arduino Uno ボードに搭載されている ATmega328P などのマイクロコントローラー用のコードの作成は、この言語を使用すると簡単になります。

これとは対照的に、FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ) は、多くの場合、VHDL や Verilog などの HDL を使用してプログラムされます。 これらの言語を使用すると、ソフトウェア アルゴリズムを記述するのと同様の方法でハードウェア回路の動作を記述することができます。

ただし、一部の FPGA は C または C++ での高レベル プログラミングもサポートしており、その後コンパイラによって低レベル ハードウェア記述言語に変換されます。 ソフトウェア プログラミングに慣れている人にとっては、一般に高位合成 (HLS) と呼ばれるこの方法を使用すると、FPGA アプリケーションの設計が簡単になります。

Verilog と VHDL はデジタル回路の動作を記述するために使用されますが、それらの構文とセマンティクスは似ていません。 各言語の簡単な説明は次のとおりです。

ベリログ:

1980 年代に、Prabhu Goel と Phil Moorby は高レベル HDL である Verilog を作成しました。 デジタル設計と検証に役立つことがよくあります。 これは、デジタル回路のコンポーネントに似た C. モジュールに相当する構文を持ち、Verilog コードの構成要素です。 これらのモジュールをインスタンス化して接続することで、複雑なデジタル システムを構築できます。多くの FPGA ベンダーと半導体業界が Verilog をサポートしています。

VHDL:

米国国防総省は 1980 年代に、VHSIC ハードウェア記述言語としても知られる VHDL を作成しました。 この高レベル HDL を使用してデジタル回路とシステムについて説明します。 VHDL コードのモジュールを作成して結合して、複雑なデジタル システムを形成できます。 VHDL の構文は Verilog よりも複雑ですが、より高機能で表現力が豊かです。 その結果、ほとんどの FPGA ベンダーがこれをサポートしており、安全性が重要なアプリケーションで役立つことがよくあります。

Verilog と VHDL はデジタル回路やシステムを抽象的に記述できるため、FPGA プログラミングに使用されます。 これにより、特に複雑なシステムの場合、デジタル回路の設計とデバッグが簡単になります。 さらに、ほとんどの FPGA サプライヤーは Verilog と VHDL を提供しており、どちらも大規模なツールチェーンとライブラリを利用できます。

Arduino で FPGA を使用するプロジェクトの例

Arduino はインタラクティブなプロジェクトを作成するためのシンプルなプラットフォームを提供するために作成されたマイクロコントローラーですが、FPGA は特殊なデジタル論理回路の実装に役立つ強力なデバイスです。 FPGA と Arduino を組み合わせることで、FPGA のプログラマビリティおよび柔軟性と Arduino の使いやすさおよびアクセスしやすさを組み合わせた強力なシステムを実現できます。

FPGAベースのオーディオ処理

オーディオ信号を処理するためのリアルタイム デジタル信号処理 (DSP) アルゴリズム用の FPGA を実践するのが一般的です。 これは、FPGA ベースのオーディオ処理として知られています。 FPGA は、フィルタリング、イコライゼーション、圧縮、その他多くのタスクを実行できます。 FPGA ベースのオーディオ処理に関係する基本的なアクションを以下に示します。

• オーディオ信号入力: FPGA は、ADC を利用してオーディオ信号を収集してオーディオ信号を受信する場合があります。 ADC は、SPI や I2C などのシリアル インターフェイスを介して FPGA に接続できます。
• 処理用のアルゴリズム: FPGA は、オーディオ信号入力に対してさまざまな DSP アルゴリズムを実行できます。 VHDL や Verilog などのハードウェア記述言語は、これらのアルゴリズムの実装に役立ちます。
• メモリ: FPGA には、編集されたオーディオ サンプルを保持するための内部メモリまたは外部メモリを搭載できます。
• オーディオ信号のエクスポート: デジタル – アナログ コンバーターは、処理されたオーディオ信号 (DAC) を出力できます。 DAC は、SPI や I2C などのシリアル インターフェイスを介して FPGA にリンクできます。
• 制御インターフェイス: オーディオ処理アルゴリズムを制御するためのユーザー インターフェイスには、Arduino または別のマイクロコントローラーを使用できます。
• センサー、ボタン、ディスプレイなどの他のデバイスは、Arduino からの入出力を受け取ることができます。

将来のプロジェクトや研究に対する Arduino FPGA の影響

フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) と Arduino マイクロコントローラーを統合すると、今後のプロジェクトや研究にいくつかの影響が生じます。 たとえば、FPGA として知られるデジタル回路は、特定のジョブや操作を実行できます。 さらに、センサー、アクチュエーター、その他の電気コンポーネントを使用したプロジェクトを作成する場合、Arduino は人気のあるオープンソース エレクトロニクス プラットフォームです。

処理能力の向上

処理能力の向上は、Arduino FPGA の最も重要な効果の 1 つです。 FPGA はデータを並列処理し、複雑な演算をリアルタイムで実行できます。 Arduino マイクロコントローラーと組み合わせると、結果として得られるシステムは、マイクロコントローラー単独では困難または不可能な、より高度なタスクを実行できます。 FPGA の応用分野には、機械学習、オーディオ処理、画像処理などがあります。 開発者は、FPGA を Arduino ボードと統合することで、複雑な計算を実行し、リアルタイムの選択を行うことができるシステムを構築できます。

カスタマイズ性

Arduino FPGA のカスタマイズ可能な性質も結果の 1 つです。 FPGA は驚くべきカスタマイズ性を提供しており、特定のアクションや操作を実行するようにプログラムすることができます。 これは、プロジェクトや研究の固有の要件を満たすために最終的なシステムが変更される可能性があることを意味します。 たとえば、FPGA は、独自の暗号化技術を作成したり、迅速なデータ圧縮を実行したりするのに役立つ場合があります。 開発者は、FPGA を使用することで、独自の要件に合わせて最適化されたシステムを設計できます。

リアルタイム処理

FPGA のリアルタイム データ処理機能は、ロボティクス、オートメーション、信号処理などのアプリケーションに特に有利です。 たとえば、ロボットのモーターには FPGA が使用され、センサー データはリアルタイムで処理されます。 さらに、開発者は、FPGA を Arduino ボードに接続することで、リアルタイムで情報に反応し、その入力に基づいて意思決定を行うことができるシステムを構築することもできます。

低遅延

Arduino と FPGA を組み合わせることで、リアルタイムでデータを処理し、入力に迅速に反応する低遅延システムを作成できます。 たとえば、開発者は FPGA を利用して特注のデジタル フィルターを構築し、センサー信号からのノイズを低減することができます。 FPGA と Arduino ボードを組み合わせて作成されたシステムは、センサー信号の変化に素早く反応し、低遅延の出力を提供できます。

教育

FPGA と Arduino の接続には教育的な影響がある可能性があります。 たとえば、学生は、FPGA を利用することで、デジタル ロジックとプログラミングの知識、およびデジタル回路アプリケーションの実践的な経験を得ることができます。 さらに、Arduino と FPGA の両方がオープンソースであるため、学生はチュートリアル、サンプル プロジェクト、リファレンス デザインなどのさまざまな教材にアクセスすることもできます。

 

Arduino で FPGA を使用する場合の制限事項

FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ) として知られる強力なデジタル デバイスは、さまざまな機能に役立つ場合があります。 逆に、Arduino は、DIY プロジェクトや迅速なプロトタイピングに不可欠なことが多いマイクロコントローラー ボードです。 ただし、Arduino で FPGA を利用することが、FPGA の処理能力と Arduino の適応性とシンプルさを組み合わせる素晴らしい方法であるとしても、考慮すべき制限がいくつかあります。

複雑さの点では、FPGA は Arduino などのマイクロコントローラーよりも複雑です。 FPGA にはデジタル設計の専門知識が必要であり、FPGA をプログラムするには特定のハードウェアとソフトウェアが必要です。 FPGA は複雑なため、初心者が Arduino で FPGA を利用するのは難しいかもしれません。

電力: マイクロコントローラーと比較して、FPGA はより多くの電力を消費します。 これは、Arduino を単独で動作させる場合よりも、Arduino を搭載した FPGA の方がより複雑な電源が必要になる可能性があることを意味します。

FPGA はサイズの点でマイクロコントローラーよりも大きくなります。 小さなプロジェクトやウェアラブルの場合のように、スペースに制限がある場合、これが問題になる可能性があります。

コスト: マイクロコントローラーと比較すると、FPGA は多くの場合、より高価です。 予算が最小限の場合、これは問題になる可能性があります。

すべての FPGA が Arduino ボードでの使用に適しているわけではありません。 選択した FPGA が、使用する Arduino ボードと互換性があることを確認してください。

学習曲線: FPGA プログラミングには、マイクロコントローラー プログラミングとは異なる一連のスキルが必要です。 FPGA のプログラミングに必要なスキルの学習には時間がかかり、学習曲線が長い人もいます。

FPGA と Arduino を組み合わせると効果的ですが、これには Arduino を単独で使用するよりも多くの作業と専門知識が必要です。 ただし、FPGA の使用方法を学ぶために必要な時間と費用を投資する準備ができている場合は、FPGA の柔軟性と能力を活用できます。