新しいFPGAボードであるCmod A7ボードで開発中のオリジナル16ビットCPUコアMoscoviumに於いて、前回、Xilinx Artix-7ファミリの大容量RAMマクロをたっぷり使った、メインメモリの拡張を実施しました。
同時に、RAMマクロには、メインメモリ以外にも使い道があるという話も致しました。
今回は、RAMマクロの、メインメモリ以外の用途である日本語フォントFONTJPユニットと、unicode⇔S-JIS変換UNISJIユニットを移植して行きます。
以下の記事で設計した、8×8ドット日本語フォントデータを読み出し可能なI/Oユニットです。
「#18-4 Moscoviumと日本語フォント」
軽く「おさらい」しながら、移植のポイントを押さえて行きましょう。以下にFONTJPユニットのブロック図を示します。
※薄黄色の箱はCPUからアクセス可能なI/Oレジスタ、薄緑色の箱はハードマクロ、青破線はRTLとハードマクロの境界線です。
記憶データは1ドット当たり1ビットなので、フォントデータは1文字＝8×8ドット＝64ビットのデータを占めます。フォントROMには、1サイクルで1文字分のフォントデータを読み出すことができるよう、64ビット幅のROMマクロを使っています。
1サイクルで64ビット読み出せれば良いので、普通のシングルポートROMマクロを使っています。回路部分は純粋なRTLなので、Vivadoでもそのまま論理合成可能です。ROMマクロ部分だけをVivadoの36KビットRAMマクロに合わせて変更すれば良いのです。
使用した36KビットRAMマクロ数は、こちらで確認してください。
フォントROMに記憶するデータは、以下にリンクするOlive+のスクリプトで各自生成して使ってもらいます。詳しい生成手順は、こちらをご覧ください。
スクリプト：fontjp_gen_mif.olv
※スクリプトを実行するには、拙作Olive+をWindowsにインストールする必要があります。
以前使っていたPrimerボード(中華製FPGA、👎thumbs-down)では、あまり馴染みのないMIFファイルと言う形式でROMデータを指定していました。
新しいCmod A7ボードのVivadoでは、Verilog-HDLが規定するMEMファイル形式のファイルを使うことができます。
スクリプト先頭付近の変数gen_vlog_memを以下の様に設定して生成してください。
var gen_vlog_mem=true; // Verilog-HDL用MEMファイルを生成する
※ダウンロードした状態だと、「false」となっていて、MIFファイルが出力されます。
完成したファイルを「fontjp.mem」にリネームして、Vivadoプロジェクトディレクトリの所定のディレクトリにコピーします。
ディレクトリパス：MCOC_HDL/ip/fontjp.mem
Githubに登録されているファイル(fontjp.mem)は中身が空のダミーなので、生成したファイルで上書きしてください。
以下の記事で設計した、unicode⇔S-JISコード間の相互変換が可能なI/Oユニットです。
「#22-1 文字コード変換回路」
軽く「おさらい」しながら、移植のポイントを押さえて行きましょう。以下にFONTJPユニットのブロック図を示します。
※薄黄色の箱はCPUからアクセス可能なI/Oレジスタ、薄緑色の箱はハードマクロ、青破線はRTLとハードマクロの境界線です。
「逆引き」とは即ち、テーブル全体を検索して合致するデータを見つける作業です。
上に示したブロック図の通り、同時に12文字分のデータを検索して一致するデータを見つけるため、変換テーブルROMは、1サイクルで12文字分のデータ、従って12文字×16ビット(※)＝192ビットのデータを読み出す必要があります。
192ビットのシングルポートROMを使っても良かったのですが、96ビットのデュアルポートROMとして、2つのポートから別々なアドレスを読み出すことで、192ビット/1サイクルの読み出しを実行しました。
この様に単純な作業を並列して同時に実行できるのは、ソフトウェアには真似できない、ハードウェアの特権です。
※16ビットunicodeが対象のため。
回路部分は純粋なRTLなので、Vivadoでもそのまま論理合成可能です。ROMマクロ部分だけをVivadoの36KビットRAMマクロに合わせて変更すれば良いのです。
使用した36KビットRAMマクロ数は、こちらで確認してください。
変換テーブルROMに記憶するデータは、以下にリンクするOlive+のスクリプトで各自生成して使ってもらいます。詳しい生成手順は、こちらをご確認ください。
スクリプト：unisji_mkmif.olv
※スクリプトを実行するには、拙作Olive+をWindowsにインストールする必要があります。
以前使っていたPrimerボード(中華製FPGA、boooo👎)では、あまり馴染みのないMIFファイルと言う形式でROMデータを指定していました。
新しいCmod A7ボードのVivadoでは、Verilog-HDLが規定するMEMファイル形式のファイルを使うことができます。
スクリプト先頭付近の変数gen_vlog_memを以下の様に設定して生成してください。
var gen_vlog_mem=true; // Verilog-HDL用MEMファイルを生成する
※ダウンロードした状態だと、「false」となっていて、MIFファイルが出力されます。
完成したファイルを「unisji.mem」にリネームして、Vivadoプロジェクトディレクトリの所定のディレクトリにコピーします。
ディレクトリパス：MCOC_HDL/ip/unisji.mem
Githubに登録されているファイル(unisji.mem)は中身が空のダミーなので、生成したファイルで上書きしてください。
Cmod A7ボード用Moscoviumマイコンの設計データ(Vivadoプロジェクト)は、Githubで提供します。以下リンクよりアクセスしてください。
ダウンロード方法などについては、トップのREADME.mdをご覧ください。
今回までに移植を完了したユニットは、以下の通りです。
これによって、以下の型名が解禁されました。
この先の実験では、上の中からMCOC115US0816を使いますので、コンパイルしてCmod A7ボード(FPGA)に書き込んでおいてください。
デザイン(回路)をCmod A7ボードに書き込む手順については、こちらをご確認ください。
Vivadoでのコンパイル(論理合成・配置配線)結果を以下にまとめます。
コンパイル結果：
どういう訳か、UNISJIユニットの変換テーブルROM(96ビット×1,344ライン＝15.75Kバイト)に、36KビットRAMマクロ数が5.5個と報告されました(普通に考えると、必要数は6個のハズ)。中途半端なサイズ(非2冪数)のROMなので、どういう理屈か良く解りませんが、深く考えるのは止めました。Vivadoの報告通りに記載してあります。
前節の通り、コンパイルしたところ、FONTJPユニットとUNISJIユニットで、合計22個(小数点以下切り上げ)の36KビットRAMマクロを使いました。命令ROMサイズを最小の4Kバイト(RAMマクロ1個)に抑えたとしても、残った27個で構成可能な拡張RAM(ERAM)ユニットは、最大108Kバイト(＝4Kバイト×27個)分です。最大の2冪数に切り下げると、ようやく64Kバイトを確保できる、と言う所ですね。
やはり、仕様上最大とした128Kバイトは確保できないのね……。
この様な実例の通り、RAMマクロが大量に必要なアプリケーションを作るのであれば、もっと上位のFPGAチップ(Artix-7ファミリXC7A100T等)を使う事を検討してください。
※「大は小を兼ねる」ので、なるべく上位のチップを選択するのは間違いではありませんが、上位チップは高額になるので、費用対効果を考えた上で選択するべきです。
シリアルモニタから文字列を受信して、外部OLEDディスプレイ(下図)に表示するプログラムを作り、後ほど実験に使います。
以下に、完成したプログラムをリンクしておきます。
プログラム：oled_kprint.asm
こちらに従ってアセンブルし、Cmod A7ボードに転送してお使いください。Moscoviumマイコンに転送すると、シリアルモニタから、以下のコマンドを受け付けています。
コマンド仕様：
動作検証の手順としては、【prn】コマンドでFONTJPユニットの動作を確認したら、【uprn】コマンドでUNISJIユニットの動作を確認する、と言う順番です。
実験の準備として、Cmod A7ボードとOLEDディスプレイを以下の様に接続してください。
|
Cmod A7ボード (Moscoviumマイコン) |
接続 | OLEDディスプレイ |
| VU (VBUS、5V) | → | VCC |
| GND | ⇔ | GND |
| stws_scl (18 PIN) | ⇔ | SCL |
| stws_sda (19 PIN) | ⇔ | SDA |
Moscoviumマイコンのピン配置表はこちらです。デザインはMCOC115US0816をCmod A7ボード(FPGA)へ書き込んでおいてください。
OLEDディスプレイは、ボード上のレギュレータで3.3Vへ降圧しているので、VCCには5Vを接続します。I2C端子は3.3V定格なので、Cmod A7ボードと直結できます。詳しくはこちら。
以下に、実験中の様子を示します。
以降、Cmod A7ボードとの通信は、S-JISおよび、UTF-8符号化した日本語文字列を送受信できる必要があるので、Tera Term等、文字符号化方式を設定可能なターミナルソフトを使用してください。
Tera Termから、「KanjiCodeメニュー ⇒ Recv/Send: Shift_JIS」を実行して、S-JIS符号化に設定したら、以下サンプルの様に実験を始めましょう。
実験サンプル：【 】内はシリアルモニタからの送信データ
【prn,0,S-JISエンコード文字列】
OK: prn
OLEDディスプレイにS-JIS符号化した文字列が表示されたはずです。
プログラムの動作としては、FONTJPユニットからS-JISコードのフォントデータを取り出して、OLEDディスプレイに描画しました。FONTJPユニットが正常に機能していなければ、OLEDディスプレイに正しく表示されないはずです。
今度はTera Termで「KanjiCodeメニュー ⇒ Recv/Send: UTF-8」を実行し、UTF-8符号化に設定して続けます。
【uprn,1,UTF-8変換、表示サンプル】
OK: uprn
UTF-8で送信した文字列データをプログラム(oled_kprint.asm)がUTF-8 → unicode → S-JIS変換(UNISJIユニット)して、OLEDディスプレイに描画しました。UNISJIユニットが正常動作していない場合は、文字化けしたデータが表示されてしまうはずです。
当方の実験では、図に示した通り、正常に表示されました。OKです。実験を終了します。
こうして見ると、フォントROMは結構なサイズですね。これでも8×8ドットの日本語フォントで妥協しているのですがね……。複雑な漢字まで視認可能な16×16ドットフォントではROMサイズが×4倍となって、XC7A35TのRAMマクロでは足りなくなってしまいます。中々……。
