Xilinx FPGA入門 回路バイナリの合成

リソースや消費電力を確認して書き込み準備完了

Xilinx製FPGAの回路バイナリの合成と書き込みプロセス

FPGA（Field-Programmable Gate Array）は，ディジタル回路を自由に設計・実装できるデバイスとして，ハードウェア設計者にとって重要なツールです．

1．回路設計の基礎:HDLとRTL記述

FPGA設計の第一歩は，ハードウェア記述言語（HDL）を用いてディジタル回路の動作を記述することです．

設計のプロセスは次のとおりです．

1. HDLコードの記述 （`design_top.v`）
2. 制約ファイルの作成（ピン割り当てなどを指定）
3. 論理合成：HDLコードをゲートレベル回路に変換
4. 配置・配線：FPGA内部のLUTやブロックに回路を割り当て
5. バイナリ生成：FPGAに書き込むためのファイル（`.bit`）を作成

2．Vivadoを使ったプロジェクトの設定と合成

Xilinx製FPGAの場合，統合開発環境「Vivado」を使用して設計します．Vivadoでは，プロジェクト作成からバイナリ生成までの全工程をGUIで直感的に操作できます．

プロジェクトの作成

1. 新規プロジェクトを作成し，HDLソースコードと制約ファイルを追加します
2. デバイス設定では，FPGAの型番（例：xc7a35tcpg236-1）を指定します

論理合成の実行

1. `Run Synthesis`を実行することで，HDLコードがゲートレベル回路に変換されます
2. `Run Implementation`で配置・配線を行い，最終的なバイナリを生成します

リソースや消費電力の確認

合成後に生成されるレポートを確認することで，LUTやFFの使用量，消費電力の見積もりが得られます．設計を最適化する際には，この情報が重要です．

3．FPGAへの書き込みと動作確認

設計が完了したら，生成したバイナリ（`.bit`ファイル）をFPGAボードに書き込みます．以下はその手順です．

1. ボードの準備
   Basys 3ボードをPCに接続し，電源を投入します
2. バイナリの転送
   Vivadoの`Open Hardware Manager`を使用し，FPGAデバイスを認識させます．その後，`Program Device`をクリックし，生成したバイナリを転送します
3. 動作確認
   スイッチやLEDを使った動作確認を行います．たとえば，トグル・スイッチを切り替えたときにLEDが点灯すれば，設計が正しく動作していることが確認できます

FPGA設計における「論理合成」の重要性

論理合成は，FPGA設計プロセスの中でもっとも重要なステップの1つです．ここでは，その意味とポイントについて解説します．

論理合成とは

論理合成（Synthesis）とは，HDLコードを解析し，FPGAのハードウェアリソース（LUTやFFなど）にマッピング可能なゲートレベル回路を生成する工程を指します．このプロセスにより，抽象的な回路記述が物理的な回路構成に変換されます．

なぜ重要か

論理合成の結果は，回路の動作だけでなく，リソース使用量や消費電力にも影響します．不適切な合成が行われると，設計した回路がFPGAに収まらない，動作速度が遅い，消費電力が高いといった問題が発生します．

注意すべき点

1. タイミング制約
   設計がクロック周波数の要件を満たしていることを確認する必要があります．Vivadoのタイミング・アナライザを使用して制約を確認しましょう
2. リソース最適化
   使用するLUTやFFを効率化するため，コードの記述方法や制約ファイルを見直します

論理合成はFPGA設計の成否を左右する重要な工程です．その結果をもとに，最適な設計を追求することが，成功への鍵になります．〈著：ZEPマガジン〉

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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．