FPGAキット DE10入門 PWM信号生成回路IP

レジスタとインターフェースの設計

PWM信号生成IPとAvalonバスの利用

FPGA開発の初期段階では，基板上のリソースを活用して具体的な回路設計を行い，インターフェースを通じてソフトウェアとの連携を実現することが重要です．

Avalonバスを活用した独自IPの設計と接続

Avalonバスは，FPGA設計における標準的なインターフェースで，設計者が柔軟に独自のIPを作成し，システム全体に統合することを可能にします．次の手順で独自IPを設計します．

IPコアの作成

IPコアはVerilogを用いて記述します．Avalonバスから送られるアドレス（`avs_s1_address`）に基づいてレジスタを更新し，計算結果を返す構造をもつ回路を設計できます．重要な信号には，リセット信号（$csi\_global\_reset$）やクロック信号（$csi\_global\_clk$）があります．

レジスタとインターフェースの設計

入力されるデータを処理するため，ライトアクセス時には`writedata`信号を用いて内部レジスタを更新します．一方，リードアクセス時には`readdata`信号を通じて結果を返します．次のような構造が典型的です．

1. アドレス`+0`
   レジスタ$r_0$に書き込みまたは読み出し
2. アドレス`+4`
   レジスタ$r_1$の管理

エラーの解消とIP登録

作成したIPコアを`Platform Designer`で登録し，信号の関連付け（Associated ResetやClock）を修正することで，ツールが正しく認識するように設定します．

PWM信号生成の設計

PWM信号は，サーボモータの制御などに使用される信号で，周期とデューティ比を設定することで動作を制御できます．この設計では，Avalonバスを介してレジスタを操作し，外部端子からPWM信号を出力します．

PWM信号生成の基本構造

1. PWM出力端子（`pwm_out`）を宣言
2. レジスタ操作により，20ms周期内のHigh期間を設定

ソフトウェアによる制御

Avalonバス経由で設定するパラメータをC言語で操作します．たとえば，次のコードによりHigh期間を変化させることが可能です: ```c IO（MYIP_0_BASE） = 1500； // 1.5ms usleep（10000）；// 10秒待機 IO（MYIP_0_BASE） = 1000； // 1.0ms usleep（10000）；// 10秒待機 ```

オシロスコープでの波形確認

実際に波形を観測することで，PWM信号の正確性を確認します．この実験では，1.5ms, 1.0ms, 2.0msのHigh期間を順次出力する動作が確認できます．

FPGAの標準通信バス “Avalon”

AvalonバスはFPGA設計における主要なインターフェース規格で，マスタ・スレーブ方式のシンプルな通信モデルを提供します．このバスを活用することで，柔軟かつ効率的なデータ通信を実現できます．

アドレスとデータ

バス通信では，アドレス（$avs\_s1\_address$）を基にデータを送受信します．アドレスは32ビット幅で，ソフトウェアが直接制御可能です．

リード・ライト操作

1. リード（`avs_s1_read`）:指定アドレスのデータを返却
2. ライト（`avs_s1_write`）:指定アドレスにデータを送信

タイミングの重要性

クロック信号（$csi\_global\_clk$）と同期して操作が行われるため，タイミング設計が正確である必要があります．

実践的な応用例

Avalonバスを活用することで，次のような高機能IPを効率よく実現可能です．〈著：ZEPマガジン〉

1. CRC計算回路の設計
2. 各種信号処理IPのシステム統合
3. ソフトウェアからの簡単な制御

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著者紹介

• NTT，IBM，Sony，NECの各研究所において高性能回路IPやハイレベル・シンセシスの研究，およびプレイステーションなどの製品用SoC開発に従事した後，現職にて民間宇宙ロケットの飛行制御コンピュータの研究開発に従事．FPGAや高位合成を活用している

著書

1. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］Tiny FPGA実習！高校生から始めるHDLプログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD/Pi KIT］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. スパコンでも破れない！高セキュリティ・マイコン・プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［YouTube］宇宙軌道ロケット 成功の方程式
9. ［YouTube］宇宙ロケットの電子回路開発
10. FPGA/Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
11. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
12. USBカメラの動画キャプチャ＆描画用 Pythonプログラム，ZEPエンジニアリング株式会社．
13. ライブラリ完備！組立式ラズパイI/O増設ボード MCC DAQ HATSファミリ誕生，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．