Cortex-A9内蔵FPGA Zynq 入門

アプリ層とBSP層の接続

BSP層のAPIを利用してアプリケーション層からハードウェアを操作

組み込みシステムにおいて，アプリケーション層とボード・サポート・パッケージ（BSP）層の適切な接続は，効率的な開発を行うために重要です．Zynq-7000シリーズでは，BSPに含まれるAPIを活用することで，ハードウェアの制御が容易になります．

BSP層は，デバイス・ドライバや周辺回路の制御を行うAPI群を提供しています．アプリケーション層からBSP層のAPIを呼び出すことで，ハードウェアの詳細を意識せずにデバイスを操作できます．

1. BSP層は，ハードウェア抽象化の役割を果たす
2. アプリケーション層は，BSP層のAPIを利用してハードウェアを操作する
3. BSPの構造を理解することで，独自IPコアとの統合が容易になる

VivadoとVitisを用いたワークフローでは，まずハードウェア設計をVivadoで行い，Vitisでソフトウェアを開発します．具体的には，I$^2$Cインターフェースをもつ温湿度センサを操作するため，AXI IICコアを利用した構成を実装します．

温湿度センサのI$^2$C制御

Zynqで温湿度センサ（Texas Instruments製HDC1080）を制御するには，I$^2$C通信を適切に実装する必要があります．I$^2$Cはシリアル通信の一種で，マスタ・スレーブ方式を採用しています．

1. I$^2$Cは，SDA（データ線）とSCL（クロック線）の2本の信号線を使用する
2. マスタ（Zynq）がスレーブ（HDC1080）に対して通信を開始する
3. スレーブはアドレス指定された後，データを送受信する

HDC1080は，温度と湿度を測定する機能をもち，I$^2$C経由でデータを取得できます．XilinxのBSPに含まれるxiic APIを利用することで，I$^2$C通信を容易に実装できます．

ターミナルでのデータ表示

取得した温湿度データをターミナルに表示することで，センサが正常に動作しているかを確認できます．Vitisで開発したアプリケーションは，UART経由でPCにデータを送信し，ターミナル・ソフトウェアで受信できます．

1. 温湿度データはI$^2$C経由で取得される
2. 取得したデータを適切な単位に変換する
3. UARTを使用してPCのターミナルへ送信する

この方法により，センサの値をリアルタイムで観測できます．アプリケーション層では，取得したデータをフォーマットし，視認しやすい形で表示します．

I$^2$Cのしくみ

I$^2$Cの基本構造

I$^2$C（Inter-Integrated Circuit）は，短距離のデバイス間通信プロトコルであり，2本の信号線（SDAとSCL）を使用します．シリアル通信の中でも，複数のスレーブデバイスを1つのバスに接続できる点が特徴です．

1. シングル・マスタ・マルチスレーブ構成が可能
2. クロック信号（SCL）に同期したデータ通信
3. 7ビットまたは10ビットのアドレス指定方式

マスタ（Zynqなど）はクロックを制御し，スレーブ（HDC1080など）とのデータ送受信を管理します．

I$^2$Cの通信手順

通信は，マスタがスレーブのアドレスを送信し，ACK（Acknowledgment）応答を受け取ることで開始します．その後，データの送信や受信を行います

1. スタート・コンディション：SDAがLOWの状態でSCLがHIGHになると開始
2. アドレス送信：7ビットまたは10ビットのアドレスを送信
3. ACK受信：スレーブが応答を返す
4. データ送信・受信：1バイトずつデータを送受信
5. ストップ・コンディション：SDAがHIGHの状態でSCLがHIGHになると終了

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 2002年より業務用映像音声機器メーカに勤務．システムアーキテクチャ設計やファームウェア開発業務に携わる．2020年にリベラルロジック株式会社を設立．

著書

1. ［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．
2. アプリはスクリプトで柔軟に！マイコン用MicroPythonプログラミング，Interface 2016年10月号，CQ出版社．
3. シンプル・便利・基本的！フリー・ソフトで高品質プログラミング，Interface 2015年11月号，CQ出版社．
4. 音遊び!Blackfin DSP基板でディジタル信号処理初体験，Interface 2015年2月号，CQ出版社．
5. ROM 10Kバイト/RAM 1Kバイトでヒストリ機能付き! コマンド入力ライブラリNT-Shell，Interface 2013年1月号，CQ出版社．
6. SDメモリーカード対応のポータブルFPGA書き込み器，トランジスタ技術2011年9月号，CQ出版社．
7. 世界温度計 コラム イーサネット通信用のライブラリが充実，トランジスタ技術2011年5月号，CQ出版社．

参考文献

1. 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．
2. Zynq FPGA入門 コンピュータ・チップの自作，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. Zynq FPGA入門 自作回路とCPUの通信，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. Zynq FPGA入門 独自のコンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. Zynq FPGA入門 2つのチップ内CPU構成法，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. Zynq FPGA入門 各社FPGAと利用できるCPU，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. 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．
8. HDL超入門！スイッチ読み取り回路とLED駆動回路のHDLソースコード，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. 超入門！スイッチ読み取り回路とLED駆動回路のHDLソースコード，ZEPエンジニアリング株式会社．
10. FPGAキット DE10入門 PWM信号生成回路IP，ZEPエンジニアリング株式会社．
11. FPGAキット DE10入門 論理合成前の動作確認，ZEPエンジニアリング株式会社．
12. FPGAキット DE10入門 正しく動かない乗算器，ZEPエンジニアリング株式会社．
13. Artix-7 FPGA入門 A-D変換回路の実験，ZEPエンジニアリング株式会社．
14. FPGA×HDL超入門 2種類のリセット回路，ZEPエンジニアリング株式会社．
15. FPGA×HDL超入門 2種類のリセット回路，ZEPエンジニアリング株式会社．
16. FPGA×HDL入門 レジスタの同期運転，ZEPエンジニアリング株式会社．
17. FPGA×HDL超入門 4桁の7segLED制御，ZEPエンジニアリング株式会社．
18. Xilinx FPGA入門 回路バイナリの合成，ZEPエンジニアリング株式会社．
19. Xilinx FPGA入門3　重要な2つのファイル，ZEPエンジニアリング株式会社．
20. Xilinx FPGA入門2　回路データ・バイナリを転送，ZEPエンジニアリング株式会社．
21. Xilinx FPGA入門1　スイッチONでLED点灯，ZEPエンジニアリング株式会社．
22. FPGA入門 演算回路の動作テスト
23. 自作CPU入門：コンピュータの頭脳を理解する，ZEPエンジニアリング株式会社．
24. 自作CPU入門2：部品どうしをつなぐ「バス」，ZEPエンジニアリング株式会社．