Odyssey MAX 10 FPGA入門セミナーテキスト

Odyssey MAX 10 FPGA入門
2015年12月22日
マルツエレック株式会社
1Copyright(C) MARUTSU ELEC CO. LTD

目次
1. FPGAとマイコンの違い
2. Odyssey MAX 10 FPGA について
3. ワークショップ
3.1 LED
3.2 センシング
4. 質疑応答
【持参物】
(1)Odyssey MAX10 FPGA Evaluation Kit
(2)アプリ(Mpression Odyssey Smart Phone App)をセットアップしたAndroid 4.3以降の
Androidスマートフォン、あるいはiOS7以降のiPhone/iPad/iPod
Odyssey MAX10 FPGA Evaluation Kit【ODYSSEY-MAX10-KIT】
http://www.marutsu.co.jp/GoodsDetail.jsp?salesGoodsCode=582105&shopNo=3

Copyright(C) MARUTSU ELEC CO. LTD 3
【マイコン】
プログラムと呼ばれる命令の集合体で動作を決定します。マイコンが提供するのは、
命令の種類分だけのライブラリーです。
【FPGA】ハードウエア回路自体をユーザーにて組み上げられるデバイスです。
【FPGAの利点】
(1)動作速度を高速にできる
マイコンは、命令の組み合わせにより動作します。FPGAは回路ですので、
高速に処理することができます。
(2)同時に複数の処理を並行で行えます
マイコンは、命令を順序に処理し、同時には一つの処理しかできません。
FPGAは同時に複数の処理をするよう組むことも可能です。
FPGAのニーズ

FPGAのニーズ
既存マイコンから FPGA への置き換えのニーズ
○使用していたマイコンがディスコン(製造中止)になった。
○マイコンは車載や家電などの大企業のユーザが多く、供給バランスが崩れると
安定供給がしにくくなる。
○リアルタイム処理が必要になった場合。
○割り込み回数が増えた場合。
○デバイスのパフォーマンスが足りない場合。
○最新の高速 I/O インタフェースをサポートしたい場合。
○多くの機能に合わせてピンを兼用していたが、ピン数が足りなくなった場合。
○マイコンとFPGAの併用をしたい場合。
○システム全体のコストを下げたい場合。
○システム全体の消費電力を低減したい場合。
○マイコンの数量が増えるので1個に統括したい場合。
○小型化のために基板面積を削減したい場合。

FPGAのデメリット
○ツールの操作が複雑で煩雑、コード生成に時間がかかる
マイコンのCコンパイラなら、F9ボタンを押してから、せいぜい5秒もあれば、
コンパイル終了ですが、FPGAの場合はとても時間がかかります。
また、IPをカスタマイズして実際に使えるようにするまでに、様々なツールを
起動する必要があります。
○チップ単価が高い
○コンパイラ性能が劣る
ツールとしてまだ未成熟で、バグも多いです。Cの標準関数が準備されてい
ない場合もあります。
○デバッグ環境が整備されていない。

マイコンにはマイコン・メーカが製作した CPU コアと周辺回路などのハードウェア
があらかじめ組み込まれています。ユーザはハードウェア部分を変更できません。
CPU コアには各命令用の専用回路が幾つか搭載されています。そして、ユーザが
作成したプログラムで各専用回路の動作順番を決めます(ソフトウェア処理)。
ハードウェア部分はあらかじめ作られているのでユーザが自ら設計する必要はなく、
個々の命令の順番を決めるだけなので開発は簡単です。しかし、細かな処理をす
る度にレジスタにデータを蓄えるのと、複数の処理を同時に行うのが苦手なので
速度は遅くなります。
汎用マイコンだけで全ての機能をカバーできると思われがちですが、実際には多く
の種類のマイコンが使われています。その理由はプログラムで吸収できない機能
が必要だからです。
その特殊な機能を実現するために用途に応じたハードウェア回路を内蔵していま
すが、マイコンはハードウェア部分を変更できないので多くの種類のマイコンが存
在するわけです。FPGAならこのハードウェア部分を自由に作り変えることができる
ので、１つのFPGAに複数のマイコンを搭載(アナログ部分を除く)できます。

マイコンの動作の仕組み

FPGA は、回路を構成する素材である小さなロジックセル、乗算器、RAM 等を内蔵し
ています。
これらを組み合わせて自分専用の回路を作ります。処理の順番に沿って各専用回
路をつないで動作させるので、信号が来たらすぐに動作します(ハードウェア処理)。
ソフトウェアのようにプログラムで機能の順番を指定する必要は無いので、入力信
号が来ると “処理Ａ”と“処理Ｂ”を並列に行い、その結果をレジスタに蓄えずにすぐ
に“処理Ｚ”を行えます。

FPGAの動作の仕組み

専用回路を自由に構成できるので、使わない機能を搭載する必要はありません。
また、リアルタイム性が必要な機能だけを並列化して高速化、他の機能は回路
を兼用して小さくするなど、独自の特徴を出すことができます。
例えば、32bit の演算なら32個の回路を作れば１クロックで演算が終了します。
遅くても良い部分は 1個の回路を Loop させて回路面積を小さくできます。
マイコンは、細分化された機能の処理順番をソフトウェアで制御する
FPGA は、ハードウェアである回路を処理に合わせて接続する

ハードウェア部分をカスタマイズできる LSI は FPGA 以外にも ASIC が
ありますが、ASIC は開発費が膨大（最近では数十億円）に必要で、しかも
接続情報が固定されるので後から回路変更ができません。
FPGA はハードウェア部分の構成を後から柔軟に変更することができる
ので、「Field （現場）」で「Programmable （プログラムできる）」「
Gate Array （ASICの１種）」として、『 FPGA 』と呼ばれています。
FPGA の場合は、起動時に各セルの構成や各セルを接続した情報(コンフィ
ギュレーション・データ)をメモリなどからロードするので、この接続情報
を変えれば機能を自由に変えることができます。

マイコンは専用回路を使いまわす仕組みなので、コンパイルすると
１つの命令をマイコン用の小さな機能に分散させて処理します。
マイコンのチップは実行クロック数が多く必要になります。高速に処理する
にはクロック周波数を上げるか、プログラムを改良するか、必要な命令の
ハードウェアを搭載した専用マイコンを使うしかありません。
並列処理の最大の欠点はチップサイズが大きくなることです。
マルチ CPU は CPU コア全体を複数搭載するのでチップサイズが大きく
なり、並列度を大幅に向上できません。並列度に応じて不要な機能も一緒
に増えるからです。FPGA は必要な機能だけを並列化できます。

不揮発性インテグレーションの革命
アルテラの MAX® 10 FPGA は、低コスト、シングル・チップ、スモール・フォーム・ファクタの
プログラマブル・ロジック・デバイスによって高度な処理能力を提供し、不揮発性 FPGA の
インテグレーションに革命をもたらします。従来の MAX デバイス・ファミリのシングル・チップ
構成を継承し、シングルまたはデュアル・コア電源を使用して、2K ～ 50K LE の集積度を
実現しています。MAX 10 FPGA ファミリには、先進的な小型ウェハ・スケール・パッケージ
(3 mm x 3 mm) に加え、高 I/O ピン数パッケージも用意されています。
MAX 10 FPGA は、TSMC の 55nm エンベデッド NOR フラッシュ・テクノロジーで製造され、
インスタント・オン機能を実現しています。アナログ-デジタル・コンバータ (ADC) や、2 つの
イメージを格納してダイナミックに切り替えることが可能なデュアル・コンフィギュレーション・
フラッシュ・メモリなどの機能をシングルチップ上に搭載しています。MAX 10 FPGA は CPLD
とは異なり、Nios II ソフト・コア・エンベデッド・プロセッサのサポート、デジタル信号処理
(DSP) ブロック、ソフト DDR3 メモリ・コントローラといった、フル装備の FPGA 機能を備えて
います。

デュアル・コンフィギュレーション・フラッシュ・メモリ -
1 個のオン・ダイ・フラッシュ・メモリでデュアル・コンフィギュレーションをサポートし、
数千回の再プログラムが可能な真のフェイルセーフ・アップグレードを実現
アナログ・ブロック
ADC および温度センサを統合したアナログ・ブロックは、レイテンシの短縮とボード・
スペースの削減に役立つほか、より柔軟なサンプリング・シーケンスが可能
インスタント・オン
MAX 10 FPGA は、システム・ボード上で最初に使用可能となるデバイスとして、高集
積 FPGA、ASIC、ASSP、プロセッサなどの他のコンポーネントの起動も制御可能

Nios® II ソフト・コア・エンベデッド・プロセッサ
MAX 10 FPGA は、アルテラのソフト・コア Nios II エンベデッド・プロセッサの統合をサ
ポートしており、組込みシステム開発者に完全にコンフィギュレーション可能でインス
タント・オンのシングルチップ・プロセッサ・サブシステムを提供
DSP ブロック
DSP を備えた不揮発性 FPGA として、MAX 10 FPGA は内蔵の 18x18 乗算器を使用
する高性能、高精度のアプリケーションに最適
DDR3 外部メモリ・インタフェース
MAX 10 FPGA は、ソフト IP メモリ・コントローラによって DDR3 SDRAM および LPDDR2
インタフェースをサポートしており、ビデオ、データパス、および組込みアプリケーショ
ンに最適です。

ユーザー・フラッシュ
最大 736 KB のオン・ダイ・ユーザー・フラッシュ・メモリへのコード・ストレージにより、
高度なシングルチップ Nios II エンベデッド・アプリケーションを実現。利用可能な
ユーザー・フラッシュの容量は、コンフィギュレーション・オプションによって決定
されます。

最大 50K LE
最大 500 ユーザ I/O ピン
不揮発性インスタント・オン・アーキテクチャ
シングル・チップ
最小3x3 mm2 の小型パッケージ
エンベデッド SRAM
DSP ブロック
高性能 PLL (Phase-Locked Loop) および低スキュー・グローバル・クロック
外部メモリ・インタフェース (DDR3 SDRAM/DDR3L SDRAM/DDR2 SDRAM/LPDDR2)
Nios® II ソフト・コア・エンベデッド・プロセッサのサポート
3.3 V、LVDS、PCITM のほか、30 種類以上の I/O 規格をサポート
内蔵 SAR ADC – 12 ビット、1 Msps
最大 18 アナログ入力チャネル
温度センサ

シングルまたはデュアルコア電源供給
エンベデッド・フラッシュ・メモリ
デュアル・コンフィギュレーション・フラッシュ・メモリ
ユーザー・フラッシュ・メモリ
内蔵オシレータ
省電力機能
ダイナミック消費電力を最大 95 % 削減するスリープ・モード
入力バッファのパワーダウン
128 ビット AES (Advanced Encryption Standard) および
その他のデザイン・セキュリティ機能
RoHS6 パッケージ

BeMicro MAX 10 評価キット
Arrow 社

Mpressions Odyssey MAX 10 評価キット
Macnica 社

Bluetooth SMART を使った通信が可能なア
ルテラ MAX 10 FPGA 開発プラットフォーム
Mpression Odyssey MAX 10 FPGA kit
は Bluetooth SMART を使った通信が
可能なアルテラ MAX® 10 FPGA 開発プラット
フォームで、通信機能を活用した
機器のコンセプト試作などに
最適です。

データ収集、処理、遠隔機器の制御、産業機器やIoT機器にハードウェア処理
機能の追加など、MAX 10 FPGAはデザインゴールを達成するために必要な機能
と性能を兼ね備えたデバイスです。

Odyssey MAX 10ボードアルテラ社不揮発性FPGA
MAX 10 FPGA搭載
NiosR II 32-bit組み込みプロセッサなどの強力な
ソフトIPを使用可能
2.54mmピッチDIP型の外部ピンによりブレッドボー
ドやArduino等の拡張用シールドを活用可能(電源
供給もDIPピンより)
ユーザIOとして音声マイク、LED、スイッチ搭載
同梱のOdyssey Bluetooth SMART Sensorボードお
よび電池ホルダーボードに接続し、USBおよびBLE
での通信機能、数多くのセンサ(UV/照度、近接、
心拍、血中酸素濃度、温度、湿度)へのアクセスが
可能
I2Cバスにより他のセンサも接続可能
Odyssey MAX 10ボード

A. Altera® MAX 10 FPGA - 10M08SAU169C8GES (U1)
B. Analog Devices ADG788 IC switch (U3, J2)
C. Wurth Electronik WE-SMCW LEDs (D1-D8)
D. Switches, pushbuttons, and DIP pins (S1, S2, SW1, J3, J4)
F. Power tree
K. Molex 52991-0308 mating connector (J1)

E. Audio input circuit (U2, U8)
G. Linear Technology LTC4413 dual ideal diode / power path controller (U4)
H. Enpirion EP5358 power regulator (U5)
I. Linear Technology LTC4415 dual ideal diode / power path controller (U6)
J. Linear Technology LTC6700 dual comparator (U7)

Odyssey Bluetooth SMART Sensorボード
Broadcom社WiCED Smart Bluetoothモジュール搭載
Silicon Labs社EFM32マイコン搭載
I2Cバス、SPIバスを通してセンサやFPGAと接続し、機能を拡張可能
B2Bコネクタを通してMAX 10ボードもしくはBatteryボードと接続

B. Silicon Labs EFM32GG395F512
low-power Giant Gecko 32-bit
microcontroller (U6)
A. Broadcom BCM20737S Bluetooth SMART (BLE) module (U5)
C. Cypress CY62148 4MB SRAM (U2)
E. Enpirion EP5358 power regulator
(U3)
G. Wurth WE-TVS diode (D2)
H. Analog Devices ADXL362 accelerometer (U4)
I. Silicon Labs Si7020 temperature/humidity sensor (U1)
J. Silicon Labs Si1147 proximity/UV/ambient light/heart rate monitor sensor (U7)

D. Micron M25PX16 Flash (U9)
F. Linear Technology LTC4415 dual ideal diode / power path controller (U8)
K. Molex 501920-3001 mating connector (J2)

Odyssey電池ホルダーボード
B2Bコネクタを通してBluetooth SMART Sensorボードと接続CR2032ボタン電池
ホルダに電池を装着することで、Bluetooth SMART Sensorボードを駆動可能
Bluetooth SMART Sensorボードのデバッグ/開発用インタフェース搭載
Odyssey電池ホルダーボード（CR2032電池は別途ご用意ください）

Odyssey電池ホルダーボード
A. Samtec 2x5 programming and debug header
(J2)
B. I 2 C expansion port (SCL, SDA, GNC,
VIN/TP1-4)
C. CR2032 battery retainer (J3)
D. Samtec 1x4 header (J4)
E. Molex 52991-0308 mating connector (J1)
F. EFM32/BLE GPIO (S1)

スマートフォンアプリ(ダウンロード)
Mpressionのアプリを使うことでご購入いただいたBluetooth SMART Sensor Kit or
MAX 10 FPGA Kitを容易にコントロールすることができます。搭載されている
各センサを使った実験やマイコンでの多彩な処理、FPGAのコントロールなどが
可能です。
Android 4.3以降のAndroidスマートフォンおよびiOS7以降のiPhone/iPad/iPodに
対応するアプリを無償でダウンロード可能。
Odyssey MAX 10 Evaluation KitはMAX 10 FPGAボードとBluetooth SMART Sensor
ボードがスタックした形で提供されます。Kitを使用するには次の手順になります。

1. Odyssey Web Utilityに入り、ユーザ登録してください。登録ボタン押下後、確
認メールが送られますので、必ずそちらにあるリンクをクリックし、ログインし
てください。これにより、ユーザがアクティベートされます。
2. スマートフォンでMpression Odysseyアプリをダウンロードしてください。
I. Androidアプリ（Google Play）
II. iOSアプリ（AppStore）
3. Odyssey MAX 10 Evaluation Kitのmicro-USBコネクタにmicro-USBケーブルを
接続し、PCやUSB充電アダプタといった電源に接続してください。
（micro-USBケーブルは同梱されていません。お持ちのスマートフォン充電
用などを活用ください）

4. ダウンロードしたMpression Odysseyアプリを起動してログインしてください。
（スマートフォンが3G/4G/WiFiなどでインターネットに接続していることを
確認してください）
5. アプリに表示されているBluetoothデバイスからOdysseyボードを選択して
ください。（Macnica_Mpressionと表示）
※Bluetoothの接続可能な距離は最大で約10mです。接続距離は電波環境
によって変わります。接続範囲外にならないよう調整の上お使いください。
6. アプリ上にリストされているPersonalityをお好みで選択します。
7. アプリを使ってOdyssey Kitを制御できるようになります。

1. Odyssey Web Utility

3. Odyssey MAX 10 Evaluation Kitのmicro-USBコネクタ
にmicro-USBケーブルを接続し、PCやUSB充電
アダプタといった電源に接続してください。
（micro-USBケーブルは同梱されていません。
お持ちのスマートフォン充電用などを活用ください）

4. ダウンロードしたMpression Odysseyアプリを起動してログインしてください。
（スマートフォンが3G/4G/WiFiなどでインターネットに接続していることを
確認してください）
5. アプリに表示されているBluetoothデバイス
からOdysseyボードを選択してください。
（Macnica_Mpressionと表示）
※Bluetoothの接続可能な距離は最大で約
10mです。接続距離は電波環境によって変わ
ります。接続範囲外にならないよう調整の上
お使いください。

6. アプリ上にリストされているPersonalityをお好みで選択します。
7. アプリを使ってOdyssey Kitを制御できるようになります。

3.1 LED

3.1 LED
https://youtu.be/DihY625P2Lk

3.2 センシング

3.2 センシング
https://youtu.be/yhQC0wRUtN0

4. 質疑応答

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