book

FPGAs für Maker

Name: FPGAs für Maker
Author: Cord Elias
ISBN: 97833864901737

by Cord Elias

October 2016

Intermediate to advanced

454 pages

8h 40m

German

dpunkt

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Titel
Impressum
Vorwort
Inhaltsverzeichnis
Teil I: Einführung
Kapitel 1: Wieso FPGAs für Maker?
Kapitel 2: Struktur und Verwendung dieses Buchs
Kapitel 3: FPGA-Grundlagen
3.1 Was ist ein FPGA?3.2 Entwicklungsablauf im Überblick3.3 VHDL-Einführung3.4 Eine erste Dosis VHDL3.4.1 Erste Testbench3.5 Notwendige Ausstattung
Teil II: Einfache Schaltungen

Kapitel 4: Los geht’s – das erste FPGA-Projekt
4.1 Einführung4.2 Vorbereitendes Experiment und Workflow4.2.1 Anlegen eines Projekts4.2.2 Anlegen einer neuen VHDL-Quelldatei4.2.3 Erstellen einer Schaltungsbeschreibung in VHDL4.2.4 Überprüfen der ersten Schaltung4.2.5 Die Verbindung zwischen Schaltung und FPGA-Pins definieren4.2.6 »Herstellen« der Schaltung4.2.7 Download der Konfiguration auf das FPGA-Board4.2.8 Austesten der Schaltung auf dem FPGA-Board4.2.9 Durchfuhrung von Schaltungsänderungen4.3 Logik-Gatter4.4 Simulation4.5 Zusammenfassung
Kapitel 5: »Hello World« – es blinkt
5.1 Getaktete Digitalsysteme5.1.1 D-Flip-Flop5.1.2 D-Latch5.2 Zähler5.3 Simulation des Binärzählers5.4 Ein Teiler für die LED5.5 Blinken mit Hardware5.6 Verfeinerter Binärzähler5.7 Zusammenfassung
Kapitel 6: VHDL-Intermezzo
6.1 Sprachstandards6.2 Struktur eines VHDL-Files6.3 VHDL-Statement6.4 Concurrent ↔ Sequential6.4.1 process zur Generierung von sequentiellen Schaltungselementen6.4.2 VHDL-Code mit process für die Simulation6.4.3 process zum Erzeugen von kombinatorischer Logik6.5 Ein wenig mehr VHDL6.5.1 Kommentare6.5.2 Schlüsselwörter6.5.3 Groß- und Kleinschreibung, »white space«6.5.4 Datentypen6.5.4.1 Vektor-Signale6.5.5 Operatoren6.6 Ausgewählte VHDL-Konstrukte und -Designmuster6.6.1 Enable6.6.2 Reset und Initialisierungen6.6.2.1 Asynchroner Reset6.6.2.2 Synchroner Reset6.6.2.3 Wahl des Reset-Typs6.6.3 Multiplexer6.6.4 Tri-State-Buffer6.7 Synchrone Digitalsysteme6.8 Universelle Grundstruktur6.8.1 Binärzähler – noch einmal6.8.2 Modulozähler6.8.3 Schieberegister6.8.3.1 Schieberegister Serial-In, Serial-Out6.8.3.2 Schieberegister mit Rotation6.9 Zusammenfassung
Kapitel 7: Bausteine und Entwurfsmuster
7.1 Clock-Signale7.1.1 Clock-Signal für langsame Schaltungsteile7.1.2 Kontrolle eines Clock-Signals7.2 Verwendung von IP7.2.1 IP-Instantiierung7.3 Synchronisierung und Entprellung7.3.1 Synchronisierung7.3.2 Entprellen7.3.2.1 Motivation7.3.2.2 Prinzip und Realisierung7.3.3 Komplettes Beispiel einer »gehärteten« Schaltung7.4 Zustandsautomat7.4.1 Tastenabfrage7.5 Zusammenfassung
Kapitel 8: Siebensegmentanzeigen
8.1 Aufbau und Funktion8.2 Einfacher Test mit einem Element8.3 Umwandlung von Binärcode in eine Hex-Zahlendarstellung8.4 Umwandlung von Binärcode in eine Dezimalzahlendarstellung8.5 Mehr als ein Digit – Multiplexing8.6 Komplettbeispiel8.6.1 Komplettbeispiel mit Zusatz-Siebensegment-Display-Board8.7 Zusammenfassung
Kapitel 9: Spielereien mit Leuchtdioden
9.1 Als die Lichter laufen lernten9.2 Dimmen einer LED9.2.1 PWM9.2.2 PWM-Testbench9.2.3 PWM-Test mit Hardware9.3 RGB-LEDs9.3.1 Erster Test9.3.2 Dimmen einer RGB-LED9.4 Zusammenfassung
Teil III: Weiterführendes und Projekte
Kapitel 10: Wie kommt man weiter?
10.1 FPGA-Board10.2 FPGA-Entwicklungsumgebung und Workflow10.3 VHDL
Kapitel 11: Digitaluhr auf FPGA-Basis
11.1 Merkmale der Digitaluhr11.2 Anforderungen an die Hardware11.3 Entwicklung des Schaltungskonzepts11.3.1 Teil 1 – Stunden und Minuten11.3.2 Teil 2 – Siebensegmentanzeige11.3.3 Übrige Teile11.4 Implementierung11.4.1 Implementierung von clkgen11.4.1.1 Erste Version11.4.1.2 Simulation der ersten Version11.4.1.3 Zweite Version11.4.1.4 Dritte Version (mit Stellen der Uhr)11.4.2 Implementierung der Display-Ansteuerung11.4.2.1 Implementierung von calc segdata11.4.2.2 Implementierung von trans segdata11.5 Integration11.6 Zusammenfassung
Kapitel 12: Ansteuerung eines RGB-LED-Matrix-Displays
12.1 Grundlagen12.1.1 Hardware und Funktion12.1.1.1 Elektrische Daten12.1.1.2 Timing12.2 Schaltung zur Display-Ansteuerung12.2.1 Display-Controller12.2.2 Test des Display-Controllers12.2.3 Objektdarstellung auf einem Matrix-Display12.2.4 Objektdarstellung auf Halb-Displays12.2.4.1 Erster Test12.2.4.2 Automatische Erzeugung der Zeilenadressen12.2.4.3 Version mit korrigierten Zeilenadressen und Spaltenadressen12.2.5 Objektdarstellung auf dem Gesamt-Display12.2.5.1 Animiertes Objekt12.3 Pong12.4 Zusammenfassung
Kapitel 13: Ausflug zu Verilog
13.1 Einstieg in Verilog13.2 Einbinden eines Verilog-Moduls in ein VHDL-Projekt13.3 Simulation bei der Verwendung von Verilog-Modulen
Teil IV: Anhang
A VHDL-Kurzübersicht
A.1 entityA.2 architectureA.3 componentA.4 processA.4.1 process mit sensitivity listA.4.2 process ohne sensitivity listA.5 DatentypumwandlungenA.5.1 Umwandlung integer → std_logic_vectorA.5.2 Umwandlung unsigned → std_logic_vectorA.5.3 Umwandlung std_logic_vector → unsignedA.6 Initialisierung mit othersA.7 Bedingte AusführungA.7.1 concurrent statementsA.7.1.1 whenA.7.1.2 selectA.7.2 sequential statementsA.7.2.1 ifA.7.2.2 caseA.7.3 Vorsicht Latch!
B FPGA-Werkzeugketten
C Altera-Werkzeugkette »Quartus Prime Lite Edition«
C.1 Anlegen eines neuen ProjektsC.2 Anlegen eines neuen VHDL-FilesC.3 Einbinden eines schon vorhandenen VHDL-FilesC.4 Analyse und SyntheseC.5 Pin PlanningC.6 Place & Route, Erzeugung des BitstreamsC.7 Download
D Lattice-Werkzeugkette »Diamond«
D.1 Anlegen eines neuen ProjektsD.2 Anlegen eines neuen VHDL-FilesD.3 Einbinden eines schon vorhandenen VHDL-FilesD.4 Eingabe von ConstraintsD.5 Synthese, Mapping, Place & RouteD.6 Generierung der KonfigurationsdatenD.7 Download
E Microsemi-Werkzeugkette »Libero SoC«
E.1 Anlegen eines neuen ProjektsE.2 Anlegen eines neuen VHDL-FilesE.3 Einbinden eines schon vorhandenen VHDL-FilesE.4 SyntheseE.5 Definition von I/O-ConstraintsE.6 Erzeugen der KonfigurationsdatenE.7 Download
F Xilinx-Werkzeugkette »ISE«
F.1 Anlegen eines neuen ProjektsF.2 Anlegen eines neuen VHDL-FilesF.3 Anlegen von I/O-ConstraintsF.4 Einbinden eines schon vorhandenen VHDL-FilesF.5 ImplementierungF.6 Erzeugung des BitstreamsF.7 Download
G Vergleich der Werkzeugketten
H FPGA-Boards für Maker
H.1 Einige BezugsquellenH.2 Board-ÜbersichtH.3 Boards, Boards, BoardsH.3.1 AlteraH.3.1.1 DE0H.3.1.2 DE0-NanoH.3.2 LatticeH.3.2.1 MachXO3LF StarterKitH.3.3 MicrosemiH.3.3.1 AGLN-Nano-KitH.3.4 XilinxH.3.4.1 PapilioH.3.4.2 NEXYS3H.3.4.3 ARTYH.3.4.4 BASYS3H.3.4.5 NEXYS4 DDR
Glossar
Literaturverzeichnis
Index
Fußnoten
Kapitel 3: FPGA-GrundlagenKapitel 4: Los geht’s – das erste FPGA-ProjektKapitel 5: »Hello World« – es blinktKapitel 6: VHDL-IntermezzoKapitel 7: Bausteine und EntwurfsmusterKapitel 8: SiebensegmentanzeigenKapitel 10: Wie kommt man weiter?Kapitel 11: Digitaluhr auf FPGA-BasisKapitel 12: Ansteuerung eines RGB-LED-Matrix-DisplaysA VHDL-KurzübersichtC Altera-Werkzeugkette »Quartus Prime Lite Edition«E Microsemi-Werkzeugkette »Libero SoC«F Xilinx-Werkzeugkette »ISE«

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Fußnoten

Kapitel 3: FPGA-Grundlagen

¹ASIC steht für »Application Specific Integrated Circuit«. Siehe auch Glossar.

²PLL steht für »Phased Locked Loop«. Siehe auch Glossar.

³DSP steht für »Digital Signal Processing«. Siehe auch Glossar.

⁴Auf der Plattform OpenCores.org steht offene Hardware zur Realisierung mit FPGAs zur Verfügung; es werden VHDL und Verilog (je nach Projekt) zur Hardwarebeschreibung eingesetzt.

⁵Ein standardisiertes Interface zum Testen und Debuggen von Hardware.

⁶Es sind noch weitere Unterelemente außer port möglich, die im Moment jedoch noch nicht wichtig sind.

⁷Für den Moment sehen wir den Datentyp std_logic einfach als »boolean« mit den möglichen Werten ›0‹ und ›1‹ an. Das ist eine starke Vereinfachung; mehr Details folgen ...

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