Układy SoC powoli, ale konsekwentnie znajdują coraz szersze obszary aplikacyjne, zapewniając konstruktorom korzystającym z tych nowoczesnych architektur bezprecedensowe możliwości implementacji projektów. Połączenie elastyczności programowej i sprzętowej w jednym układzie daje konstruktorom pewność, że w projektowaniu tylko sky is the limit.

Rodzina układów Xilinx Zynq-7000 integruje 2-rdzeniowy procesor aplikacyjny bazujący na Cortex-A9MP oraz matrycę FPGA znaną z układów Artix-7. Taka konfiguracja, w połączeniu z Linuksem, szybkim Ethernetem i lokalną pamięcią DRAM o dużej pojemności, pozwalają integrować użytkownikom w rozwijanych projektach dwa zazwyczaj rozdzielne światy: programowanego i konfigurowanego sprzętu.

Jeżeli szukasz uniwersalnej platformy ewaluacyjnej – zestaw Digilent Eclypse Z7 powinien Cię zainteresować.

Eclypse Z7 w ekspresowym skrócie

Prezentowany w artykule zestaw ewaluacyjny Eclypse Z7, opracowany i produkowany przez firmę Digilent, wyposażono w układ SoC oferujący użytkownikom możliwość budowy aplikacji bazujących na dwóch, zazwyczaj rozdzielnych „światach”:

• linuksowym, uruchamianym na 2-rdzeniowym procesorze aplikacyjnym Cortex-A9MP (@667MHz). Pozwala on uruchamiać programy mające dostęp do wielu peryferii charakterystycznych dla standardowych systemów komputerowych. Są to m.in.: interfejs Ethernet 1Gb, USB-OTG 2.0, a także pamięć DDRAM o pojemności 1 GB z 32-bitową magistralą. Użytkownicy mogą korzystać również z popularnych lokalnych interfejsów komunikacyjnych: SPI, I2C, UART oraz CAN.
• logiki konfigurowalnej, bazującej na nowoczesnej matrycy FPGA, której architektura bazuje na układach Xilinx Artix-7. Zastosowany w zestawie Eclypse 7 układ Z-7020 oferuje użytkownikom 85 tysięcy komórek logicznych, 4,9 Mb konfigurowalnej pamięci RAM oraz 220 wyspecjalizowanych komórek DSP.

Zestaw Eclypse Z7 wyposażono także w dwie diody LED-RGB oraz 2 przełączniki chwilowe, które tworzą prosty interfejs użytkownika.

Poszerzenie możliwości funkcjonalnych prezentowanego zestawu umożliwiają dwa złącza znanego standardu Pmod (o organizacji 2×6 pinów). Nowością są natomiast dwa złącza nowego standardu SYZYGY (open source’owy standard opracowany przez Opal Kelly). Pozwalają one na używanie kart Zmod, a dzięki różnicowej transmisji danych użyte ekspandery mogą operować na sygnałach o wysokich częstotliwościach.

Dodatkowymi elementami wyposażenia zestawu Eclypse Z7 są: programator-konfigurator JTAG, układ kryptograficzny ATSHA204A firmy Microchip, pamięć Flash SPI S25FL128, złącze kart MicroSD oraz mikrokontroler ATmega328, który spełnia rolę centrum sterującego pracą elementów peryferyjnych zestawu.

SYZYGY w praktyce

Istotną nowością w zestawie Eclypse Z7 jest wyposażenie go w dwa złącza standardu SYZYGY. Z założenia mają one umożliwić dołączenie kart rozszerzających, przy czym zoptymalizowano je pod kątem przesyłania szybkich sygnałów cyfrowych. Stąd możliwość transmisji 8 sygnałów różnicowych oraz 12 asymetrycznych poprzez każde ze złącz, a także możliwość synchronizacji transmisji za pomocą różnicowego sygnału zegarowego. Obydwa gniazda SYZYGY mają doprowadzone interfejsy I2C. Za ich pomocą pokładowy mikrokontroler zestawu Eclypse Z7 dostosuje napięcia zasilające logikę karty do jej specyfikacji.

Ekspandery Zmod dla Eclypse Z7

Firma Digilent opracowała i produkuje dwie karty rozszerzeń w standardzie Zmod (ze złączami SYZYGY). Są to przetworniki: ZmodADC1410 oraz ZmodDAC1411. Na fotografii 1 widać je zamontowane na płycie Eclypse Z7.

Fotografia 1. Moduły ZmodADC i ZmodDAC zamontowane na zestawie Eclypse Z7

Przetwornik A/C (ZmodADC1410) ma rozdzielczość 14 bitów. Pozwala to uzyskać maksymalną rozdzielczość na poziomie 0,13 mV przy zakresie napięć wejściowych ±1 V. Natomiast przy zakresie ±25 V rozdzielczość wynosi 3,21 mV. Przetwornik ma dwa asymetryczne analogowe kanały wejściowe. Pasmo wynosi do 70 MHz przy spadku amplitudy 3 dB i 30 MHz przy spadku 0,5 dB. Maksymalna częstotliwość próbkowania to 100 MHz.

Podobną charakterystykę ma przetwornik C/A (ZmodDAC1411). Przy 14-bitowej rozdzielczości można uzyskać dyskretny krok zmiany napięcia wyjściowego wynoszący 167 mV, a maksymalna szybkość narastania napięcia wyjściowego wynosi 180 V/ms. Impedancja wyjściowa każdego z dwóch kanałów konwersji wynosi 50 Ω, natomiast maksymalna częstotliwość próbkowania: 100 MHz.

Parametry kart rozszerzających pozwalają używać je zarówno jako „proste” wejścia i wyjścia analogowe, jak i w podstawowych aplikacjach SDR. Pomagają w tym także biblioteki przygotowane przez firmę Digilent.

Narzędzia dla programistów

Architektura układu FPGA użytego w zestawie Eclypse Z7 jest obsługiwana przez środowisko narzędziowe Vivado firmy Xilinx. Umożliwia ono m.in. implementacje projektów w rekonfigurowalnym sprzęcie za pomocą języków programowania (jak C++, C#).

Firma Digilent we współpracy z producentem układu SoC dostarcza kompletny system operacyjny Petalinux. Ma on wbudowane API pozwalające na wygodną komunikację programów z częścią sprzętową, implementowaną w FPGA. Dzięki temu podczas przygotowywania aplikacji zestawu Eclypse Z7, programiści nie muszą uczyć się języków opisu sprzętu (HDL). Mogą więc skupić się wyłącznie na domenie software’owej i swojej aplikacji.

Komplet na biurku bez czekania

Zestaw Eclypse Z7 jest dostarczany w postaci gotowej do użycia po rozpakowaniu. Poza płytką ewaluacyjną w jego skład wchodzą: wentylator wspomagający chłodzenie SoC, zasilacz oraz kable połączeniowe USB.

Konstruktorzy zainteresowani użyciem kart rozszerzających Zmod mogą zamówić w pakiecie także jeden z trzech wariantów zestawu. W zależności od potrzeb mogą to być dwie karty ZmodDAC1411, dwie karty ZmodADC1410 lub jedna karta ZmodDAC1411 i jedna ZmodADC1410.

Wyłącznym, autoryzowanym dystrybutorem edukacyjnym zestawów firmy Digilent w Polsce jest firma KAMAMI.pl.