Kurs FPGA Lattice (30). Zakończenie

Dominik Bieczyński

Kursy

17 kwietnia 2025

Jest to ostatni odcinek kursu FPGA Lattice. Dokończymy terminal VGA i zastanowimy się… co dalej? Jest to drugi najdłuższy kurs w 32-letniej historii Elektroniki Praktycznej. Pomimo to niniejszy materiał należy traktować jako wstęp do tematyki układów FPGA oraz języka Verilog, pozostaje bowiem wiele tematów, o których nawet nie wspomniałem. W ostatnim odcinku kursu postaram się chociaż skrótowo opowiedzieć o funkcjonalnościach, których na łamach EP nie prezentujemy.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część Toc right icon

1. Kurs FPGA Lattice (1). Wstęp 2. Kurs FPGA Lattice (2). Pierwszy projekt 3. Kurs FPGA Lattice (3). Podstawy języka Verilog 4. Kurs FPGA Lattice (4). Generator, dzielnik i licznik 5. Kurs FPGA Lattice (5). IPExpress i inne gotowce 6. Kurs FPGA Lattice (6). Parametry i ćwiczenia 7. Kurs FPGA Lattice (7). Analizator logiczny Reveal 8. Kurs FPGA Lattice (8). Symulacja w EDA Playground 9. Kurs FPGA Lattice (9). Wyświetlacz multipleksowany 10. Kurs FPGA Lattice (10). Klawiatura matrycowa i maszyna stanów 11. Kurs FPGA Lattice (11). Statyczna analiza czasowa i maksymalna częstotliwość zegara 12. Kurs FPGA Lattice (12). Symulacja w Icarus Verilog i GTKWave 13. Kurs FPGA Lattice (13). Wyświetlacz LCD multipleksowany 14. Kurs FPGA Lattice (14). Enkoder obrotowy 15. Kurs FPGA Lattice (15). Pamięć EBR 16. Kurs FPGA Lattice (16). Generowanie dźwięków 17. Kurs FPGA Lattice (18). Nadajnik UART 18. Kurs FPGA Lattice (19). Odbiornik UART 19. Kurs FPGA Lattice (20). 14-segmentowy wyświetlacz LCD 20. Kurs FPGA Lattice (21). Terminal UART z 14-segmentowym wyświetlaczem LCD 21. Kurs FPGA Lattice (22). Sekwencyjny algorytm Double Dabble 22. Kurs FPGA Lattice (23). Kombinacyjny algorytm Double Dabble 23. Kurs FPGA Lattice (24). Miernik częstotliwości 24. Kurs FPGA Lattice (25). Direct Digital Synthesis 25. Kurs FPGA Lattice (26). Slave SPI 26. Kurs FPGA Lattice (27). Obsługa monitora VGA 27. Kurs FPGA Lattice (28). Sterownik VGA kompatybilny z OLED 28. Kurs FPGA Lattice (29). Terminal tekstowy VGA 29. Kurs FPGA Lattice (30). Zakończenie

Rozwiń cały spis treści Zwiń spis treści

Moduł Memory

Moduł Memory jest najdłuższym i najbardziej zawiłym modułem w tym projekcie. Długo zastanawiałem się, czy nie byłoby lepiej podzielić go na pamięć czcionki i pamięć danych do wyświetlenia, lecz ostatecznie stwierdziłem, że te wszystkie obszary danych będą w jednym miejscu.

Moduł składa się z dwóch funkcjonalnych części, tworzących jedną logiczną całość. Pierwszą z nich jest odbieranie bajtów, pochodzących z interfejsu UART. Bajty te mogą być znakami sterującymi kursorem – enter, backspace i escape (który umieszcza kursor na pozycji (0,0), czyli w lewym górnym rogu). Mogą być też kodem ASCII znaku lub informacjami o kolorach. Druga część to obsługiwanie zapytań z VGA, co wiąże się z odczytywaniem danych z pamięci obrazu i czcionki.

W tym momencie musimy przyjrzeć się dokładniej pamięci RAM, w której zapisywany jest tekst oraz kolory. Musimy w niej przechowywać 2400 bajtów tekstu i 2400 bajtów informacji o kolorach, czyli razem 4800 bajtów. Wygodnie byłoby mieć osobne pamięci na tekst i kolory. Wtedy bajt tekstu i bajt koloru w obu pamięciach miałyby te same adresy, a ponadto operacje odczytu/zapisu z/do obu pamięci mogłyby wykonywać się jednocześnie. Potrzebowalibyśmy trzech bloków EBR na tekst i kolejnych trzech na kolor. Problem tylko w tym, że mamy do dyspozycji 5 bloków EBR o pojemności 1024 bajty każdy.

Zatem musimy scalić wszystko w jedną pamięć, aby pomieścić się w pięciu blokach EBR. Kod znaku i kolory umieścimy w następujących po sobie bajtach. Tworzy to ciekawą właściwość – jeżeli najmłodszy bit adresu ma wartość 0 to adres wskazuje na bajt tekstu, a jeżeli 1 to na bajt koloru. Ta cecha jest wspólna dla wszystkich znaków w pamięci. Pozostałą część adresu można łatwo obliczyć znając numer kolumny i wiersza. Wystarczy numer wiersza przemnożyć przez 80 i dodać numer kolumny – a te właśnie informacje kontroler pamięci otrzymuje od modułu VGA.

Aby zaadresować 4800 bajtów potrzebujemy 13-bitowego adresu. I tutaj pojawia się problem, bo Lattice Synthesis Engine, mając 13-bitowy adres, syntezuje pamięć o rozmiarze, jaki maksymalnie można zaadresować wykorzystując adres o takiej szerokości, tzn 8192 bajty. Na etapie mapowania dostaniemy błąd, bo taka pamięć potrzebuje 8 bloków EBR, a mamy tylko 5. Poza tym nawet, gdybyśmy mieli jeszcze trzy wolne bloki EBR do użytku, to zostałyby one bezsensownie zmarnowane.

Rozwiązaniem tego problemu jest skorzystanie z dodatku IP Express lub rozbicie pamięci na osobne bloki i scalenie ich przy pomocy własnego dekodera adresu. Wybrałem tę drugą opcję aby pokazać, jak można to zrobić.

Wejście adresowe bloku EBR jest 10-bitowe, ponieważ w pojemność bloku EBR to 1024 bajty (210=1024). Skoro potrzebujemy pięciu takich bloków, to musimy wstawić dodatkową zmienną 3-bitową, aby wskazywać który blok EBR chcemy odczytać lub zapisać. W ten sposób tworzymy 13-bitowy adres, który składa się z numeru bloku EBR i adresu wewnątrz EBR.

Pierwsza część kodu odpowiedzialna jest za odbieranie znaków z UART i ich analizowanie. Na potrzeby tego zadania musimy utworzyć kilka zmiennych pomocniczych, zaczynając od linii 1.

WriteStep1 i WriteStep2 to rejestry ułatwiające zapisywanie kolejno po sobie bajtów koloru i tekstu. Omówimy je dokładniej później.
WriteRequest to rejestr sterujący wejściami WriteEnable_i wszystkich pamięci RAM. Ustawienie tego rejestru w stan wysoki spowoduje, że przy najbliższym zboczu rosnącym pamięć zapisze dane z wejścia Data_i pod adresem, wskazywanym przez wartość znajdującą się na wejściu WriteAddress_i.
WriteBuffer – 8-bitowy rejestr przechowujący dane do zapisania w pamięci RAM. W zależności od fazy zapisu, jest to bajt koloru lub bajt tekstu.
ColorBuffer to 8-bitowy rejestr przechowujący ostatnio odebrany bajt koloru, domyślnie ustawiony jest w taki sposób, aby wyświetlać biały tekst na czarnym tle. Po odebraniu bajtu koloru ten rejestr zostanie zaktualizowany, a następnie wszystkie znaki odebrane później będę pokolorowane tak samo do czasu, aż zostanie odebrany inny bajt koloru.
WriteAddress – adres pod którym ma zostać zapisany bajt tekstu lub koloru.
CursorX i CursorY – współrzędne znaku, do którego ma zostać zapisany następny bajt tekstu, odebrany przez UART.
WriteCharNum – numer znaku, obliczony metodą z linii 2 (a zarazem bity [12:1] adresu do zapisania).