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Xilinx FPGA入門 回路データ・バイナリを転送

ターゲットFPGAボード Basys 3に回路を実装

FPGAへの回路データ書き込み

FPGAのプログラムは，回路データをバイナリ・ファイルに変換し，ターゲットボードに転送することで実行されます．Xilinx製のFPGAを使用する場合，以下の手順でバイナリを書き込みます．

1. ボードのJ4にmicro USBケーブルを挿し，PCと接続．
2. J2はUSB側にジャンパを挿し，USB給電を有効にする．
3. 電源スイッチを入れる．
4. VivadoのOpen Hardware Managerを開く．
5. Open targetをクリックし，Auto Connectを選択．
6. FPGAデバイスが認識されたら，Program deviceをクリック．
7. .bitファイルの場所を指定し，Programを実行．

この方法でバイナリを転送すれば，FPGA内部のSRAMにデータが書き込まれ，動作を開始します．しかし，電源を切るとこのデータは消えてしまいます．

電源を切ってもバイナリを保持する方法

FPGAのSRAMに書き込まれたバイナリは，電源がオフになると失われます．回避するには，バイナリを外部フラッシュ・メモリに書き込みます．

1. .bitファイルに加えて，.binファイルを生成する設定を行う．
2. VivadoのOpen Implemented Designを開き，Generate Bitstreamを右クリック．
3. BitStream Settingsを選択し，-bin_fileオプションを有効にする．
4. 青字のConfigure additional bitstream settingsをクリックし，Enable Bitstream CompressionをTRUEに設定．
5. ConfigurationのSPI ConfigurationでBus widthを4に設定．

この設定を適用すると，フラッシュ・メモリに書き込むための.binファイルが生成されます．

フラッシュ・メモリへのバイナリ転送

フラッシュ・メモリにバイナリを保存すれば，電源を入れたときに自動的にFPGAへ転送されます．

1. Generate Bitstreamをクリックし，.binファイルを作成．
2. ボードをPCに接続し，Open Target → Add Configuration Memory Deviceを選択．
3. 使用するボードに応じたメモリデバイス（例:Macronix製 mx25l3233f-spi-x1_x2_x4）を選択．
4. Spansion製のメモリを使用する場合は，s25fl032p-spi-x1_x2_x4を選択．
5. Program Configuration Memory Deviceを選択し，.binファイルの場所を指定して書き込む．

これで，電源を入れ直してもFPGAが自動的にバイナリをロードし，動作を開始します．

キーワード

FPGAは，内部に論理回路を実装するための再構成可能なデバイスであり，設定情報（バイナリ・データ）は通常SRAMに保存される．

FPGAのSRAMコンフィグレーションの特徴

FPGAはSRAM型のコンフィグレーション・メモリをもち，電源を切ると内容が消えてしまう．そのため，通常のマイクロコントローラのフラッシュ・メモリとは異なり，起動時に外部メモリやPCから設定データをロードする必要がある．

フラッシュ・メモリを使用した永続的なコンフィグレーション

FPGAの設定を保持するためには，外部フラッシュ・メモリにバイナリを書き込み，電源投入時に自動的に読み込むようにする．この方法を採用すると，PCとの接続が不要になり，独立した組み込みシステムとして利用できる．

SPIフラッシュとコンフィグレーション設定

FPGAは，SPIフラッシュ・メモリを使用してコンフィグレーションを保持することができる．バス幅（Bus width）を4に設定することで，より高速なデータ転送が可能になり，起動時間を短縮できます．〈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．