Для поделок в области программируемой логики я приобрел инструментальную плату Xilinx Spartan-3E Starter Kit. Весьма недорогая, в Москве $150. Есть выход VGA, два порта RS-232 и один порт PS/2 для клавиатуры. Для подключения к 100-контактному расширителю нужны разъемы FX2-100S-1.27DS (на плату) или FX2BA-100SA-1.27R (на кабель).

На плате установлена FPGA XC3S500E из серии Xilinx Spartan3E в корпусе FG-320. Чип имеет 10000 гейтов и стоит около $40.

Существуют варианты попроще:

• Spartan-3 Board (XC3S200) — $99
• Nexys (XC3S200) — $99
• Basys System Board (XC3S100E) — $59

и посложнее:

• Spartan 3E-1600 Development Board (XC3S1600E) — $295
• FX12 Board (Virtex-4 FX12) — $299

Три младших микросхемы семейства Spartan-3E имеют исполнение в корпусе QFP. В таблице приведены количество сигналов ввода-вывода и примерная цена.

Для радиолюбительского монтажа корпусов VQFP100, TQFP144, PQFP208 с шагом 0.5 мм годятся макетные платы QFP05 фирмы "Миктех".

• Руководство пользователя для платы Spartan-3E Starter Kit.
• Полное описание семейства Spartan-3E.
• Описание примитивов и макросов семейства Spartan-3E для VHDL и Verilog.
• Универсальная заготовка файла ограничений для платы Spartan-3E Starter Kit.
• Таблица ножек для xc3s500e в корпусе fg320.
• Таблицы ножек для всех микросхем семейства Spartan-3E в форматах Excel и CSV.
• Метастабильность и синхронизаторы.

Для разработки выбран язык Verilog.

• Статья в Википедии
• Краткий обзор из журнала “Схемотехника” 2001/02.

Разработка делится на два этапа:

• моделирование (simulation) — проверка правильности функционирования создаваемого устройства;
• синтез (synthesis) — создание файла “прошивки” для загрузки в микросхему программируемой логики (ПЛИС, FPGA).

Документация по Verilog:

• Introduction to Verilog - прекрасный учебник по языку.
• On-line Verilog Quick Reference Guide.
• Глава про Verilog из книги "Application-Specific Integrated Circuits".
• Официальная спецификация IEEE Verilog(TM) HDL Language Reference Manual. Содержание, главы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, индекс.
• Designer’s Guide to Verilog - пошаговое введение в Verilog.
• Сайт для разработчиков FPGA - много полезного.

Есть интересные лекции профессора Джона Кубиатовича по разработке микропроцессоров.

Xilinx подкупает наличием бесплатного софта, в том числе под Linux — ISE Webpack. Как использовать Xilinx ISE под Linux описывается здесь.

Для работы микросхемы FPGA в нее надо загрузить прошивку. Это происходит при нажатии кнопки PROG. Светодиод “DONE” показывает, что процесс загрузки успешно завершился и FPGA готова к работе.

На плате есть три вида памяти, в которых может храниться файл прошивки:

• 512 килобайт Platform Flash — специализированная микросхема Xilinx XCF04S
• 2 мегабайта последовательной Flash-памяти — ST Micro 25P16V6G
• 16 мегабайт параллельной Flash-памяти — Intel TE28F128

Или FPGA может загружаться через порт USB непосредственно из внешнего компьютера. Выбор производится джамперами J30. Файл прошивки для микросхемы XC3S500E имеет размер 283 килобайта.

Утилита прошивки iMPACT входит в состав программного пакета Xilinx ISE Webpack. Её можно вызывать в пакетном режиме:

impact -batch impact.run

При этом командный файл impact.run выглядит так:

setMode -bscan
setCable -p auto
identify
assignFile -p 1 -file "прошивка.bit"
program -p 1
quit

С сайта Xilinx можно скачать примеры разработок для платы Spartan-3E Starter Kit.

Плата Spartan-3E Starter Kit изначально поставляется с прошивкой "startup", демонстрирующей возможности процессора Picoblaze. Это 8-битный процессор с объемом памяти 1024 команд и 64 байт данных. Архитектура похожа на младшие модели микроконтроллеров Microchip PIC. Исходные тексты процессора на языке VHDL (около 1900 строк кода) распространяются бесплатно. Прошивку с текстами можно взять здесь: s3esk-startup.zip. Для компиляции дайте команду “make”. Для загрузки в плату выполните файл “install.bat”.

Microblaze представляет собой 32-битный RISC-процессор с архитектурой, напоминающей MIPS-32. Модуль процессора в виде параметризованного netlist распространяется в составе пакета Xilinx ISE. Исходные тексты на языке VHDL доступны бесплатно, но требуется подписать лицензионное соглашение.

Для архитектуры Microblaze существует компилятор GCC. К сожалению, собрать версию 2005-11-21 из исходных текстов не удается, есть несоответствия в include-файлах. Можно скачать бинарную версию GCC 3.4.1 для Linux. Есть тексты на сайте Xilinx, но они тоже не компилируются.

Есть пример "microblaze-lcd" подключения LCD-индикатора к процессору. Скачать можно здесь.

PetaLogix предлагает встроенный Linux для Spartan3E-500, с поддержкой Ethernet. Тексты, к сожалению, недоступны.

Jason Wu разработал инструкцию по созданию конфигурации ucLinux с помощью Xilinx Base System Builder (входит в состав платной ISE).

OpenRisc 1200 - проект 32-битного процессора с открытым кодом, распространяемым по лицензии GNU. Архитектура похожа на MIPS и ARM. Из периферии есть контроллер прерываний, таймер, контроллер SRAM/Flash, интерфейс отладчика, UART, Ethernet, VGA, клавиатура/мышь PS2. Система модульная, основана на шине Wishbone. Минимальная конфигурация для Spartan-3E Starter Kit занимает 58% ресурса FPGA.

Для OpenRisc есть поддержка в компиляторе GCC. Программное обеспечение можно скачать с сайта фирмы Beyond Semiconductor.

Есть также отличный симулятор архитектуры OpenRisc. Существуют версии Linux, ucLinux, RTEMS и ecos для OpenRisc.