Представляем Cubic Board - первый полностью открытый проект с FPGA

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2015

Max Maxfield, Richard Price

EETimes

Одним из основных соображений при создании платы Cubic Board на основе FPGA было сделать ее легкодоступной для разработчиков как программного, так и аппаратного обеспечения

Я впервые встретился с Бо Чжоу (Bo Zhou) в сентябре 2013 года. Мы оба работали в Altera, но в разных подразделениях отдела исследований и разработок. Я занимался проектированием кремниевых структур, а Бо трудился над IP-системами, поэтому наши профессиональные пути никогда не пересекались. Ранее в том же году я посетил проходившую в Сан-Матео выставку Bay Area Maker Faire, чтобы узнать о последних новинках в области «открытой» электроники, которая является моей особой страстью. Я ушел с этого мероприятия, твердо веря, что FPGA и программируемая логика прекрасно впишутся в сообщество энтузиастов и любителей открытого аппаратного обеспечения, и тогда подумал: «Так, где же ребята с FPGA?»

Вернувшись в офис, я решил посмотреть, заинтересована ли моя компания в том, чтобы на следующей выставке Maker Faire установить стенд Altera с рекламой FPGA. Как оказалось, определенный интерес действительно был, в результате чего компания проспонсировала размещение экспозиции на Maker Faire, проходившей в мае 2014 года. На этом стенде было представлено несколько демонстрационных плат, разработанных и собранных сотрудниками Altera.

Накануне этого события мы провели вечер пятницы в кафетерии в тесном кругу разработчиков Altera, чтобы встретиться и обменяться идеями. Одна из предложенных мною идей заключалась в создании дешевой платы с FPGA стоимостью $9.99. Эта идея не получила никакого развития, хотя один скромный парень из моей группы позже отвел меня в сторону, чтобы объяснить, как он создавал плату с FPGA на основе очень похожей концепции. Этого человека звали Бо Чжоу.

В оригинальной версии платы Бо использовалась ПЛИС Cyclone IV E FPGA, а называлась плата «Cubic Board» (Compact Cyclone Core, C³). Побудительным мотивом было желание сделать модуль с FPGA, который можно было бы применять в проектах различного типа. В основе лежало наблюдение, что традиционные отладочные платы с FPGA были спроектированы для образовательных или лабораторных целей, и поэтому не обязательно оптимизировались для решения производственных задач. Кроме того, на рынке было всего несколько модулей с FPGA, концептуально похожих на Cubic Board, однако все они были слишком дорогими и ни один из них не был открытым.

Таким образом, Бо решил спроектировать и выпустить свой собственный недорогой, но пригодный для промышленной эксплуатации модуль с FPGA. Изначальная мотивация проекта в значительной степени основывалась на уникальных требованиях его «приложения-убийцы» (о сегодняшних мотивах он умалчивает), которому была необходима большая вычислительная мощность для обработки сигналов и огромная пропускная способность, что было достижимо только с помощью FPGA. Его приложению также необходима масштабируемость, то есть возможность увеличения производительности путем параллельного включения большего количества плат. Кроме того, приложение-убийца имеет жесткие ограничения по физическим размерам, которые, в конечном счете, сводятся к созданию квадратного двухдюймового модуля, содержащего только основные компоненты подсистемы (например, память DDR). Все внешние кнопки, порты, светодиоды и прочие элементы были убраны.

Эта концепция вскоре приобрела популярность среди разработчиков Altera. Один из членов работающей над проектом команды, Крис Роуэр (Chris Rauer), использовал свой опыт программирования встраиваемых систем для того, чтобы быстро портировать Linux на плату с программным процессором NIOS компании Altera и создать библиотеку на языке Python для управления линиями ввода/вывода общего назначения. На выставке Maker Faire в 2014 году мы раздали кучу этих плат. Среди собранных отзывов четко доминировало требование создания версии платы с процессором ARM, и мы решили, что это могло бы способствовать признанию модуля.

В результате появилась вторая версия платы с установленной FPGA Cyclone V SoC, которую мы решили назвать Cubic SoC Board (Рисунок 1). Выполненная по технологии 28-нм FPGA Altera (в то время как Cyclone IV имела технологические нормы 45-нм), содержит двухъядерный процессор ARM Cortex-A9, а также улучшенный контроллер памяти DDR и каналы мультигигабитных приемопередатчиков. Конструкция также была изменена, в результате чего остался только один краевой разъем, в отличие от трех разъемов оригинальной платы, а сама плата стала прямоугольной с размерами 70 × 33 мм. Чтобы в полной мере использовать возможности двухъядерного 800-мегагерцового процессора ARM, команда была расширена, а рабочее время сотрудников распределено между различными аспектами платы. В результате Cubic Board Rev 2 получила полный программный стек, в том числе встроенную поддержку Linux, и различные драйверы, а также несколько демонстрационных программ.

Рисунок 1.	Плата Cubic Board Rev 2.

Еще одним конструктивным соображением при создании этой платы было стремление сделать ее легко доступной для разработчиков, как программного обеспечения, так и аппаратуры. Мы полагаем, что добились этой цели несколькими способами. Во-первых, Cubic board позиционируется как открытый проект, и мы думаем, что это первая плата с FPGA, основанная на принципе открытости. Даже, несмотря на то, что свою жизнь она начинала как любительский проект, команда Cubic нацелена на то, чтобы сделать плату профессионального класса. В самом деле, среди всех плат типа система-на-модуле (СнМ) с FPGA, Cubic Board для своего размера, как мы думаем, является самой функциональной платой. Благодаря открытым файлам проекта разработчики как программного, так и аппаратного обеспечения смогут создавать сложные, но мощные встраиваемые системы, начиная с нуля.

Во-вторых, наличие интегрированных в компактный форм-фактор СнМ сложных в разработке аппаратных узлов, поддерживающих, например, память LPDDR2 и интерфейсы USB, позволяет разработчику сосредоточиться на более продуктивной работе. Из-за строгих требований к синхронизации эти компоненты зачастую вызывают проблемы и отнимают много времени на разработку и отладку.

В-третьих, СнМ имеет готовый для загрузки образ Linux, поэтому разработчик программ может за считанные минуты довольно легко получить доступ к линиям ввода/вывода. И, наконец, мы считаем, что благодаря доступным драйверам Linux эта плата облегчает вход разработчика аппаратуры в мир создания программ для встраиваемых систем.

Altera предоставляет бесплатные версии всех инструментов, необходимых для программирования аппаратной и программной частей СнК Cyclone V, а именно – Quartus II для прошивки FPGA и EDS для разработки программного обеспечения. Хотя этот набор инструментов действительно хорош, пока еще он довольно сложен в использовании, и придется затратить немало усилий, чтобы получить с его помощью работоспособную систему, поэтому мы разработали виртуальную машину, чтобы в значительной степени избавить пользователя от этих сложностей.

Помимо СнМ Cubic SoC Board мы разработали две базовые платы, к каждой из которых Cubic SoM Board может подключаться с помощью краевого разъема. Первая базовая плата (Рисунок 2) предназначена для демонстрации возможностей Cubic SoM Board и выглядит практически так же, как любая другая отладочная плата с множеством выключателей, разъемов, светодиодов и прочих элементов.

Рисунок 2.	Полная базовая плата.

Вторая базовая плата (Рисунок 3) существенно меньше и предназначена лишь для того, чтобы дать пользователю опыт подключения одного порта USB для быстрой реконфигурации FPGA.

Рисунок 3.	Базовая плата мини.

Мы считаем, что по характеристикам и набору возможностей Cubic SoC Board намного превосходит другие похожие продукты (например, Arduino или Raspberry Pi), а благодаря возможности миграции, поддерживаемой совместимостью выводов FPGA Cyclone, она позволяет добавлять дополнительные аппаратные ресурсы путем создания такой же платы с FPGA больше емкости. Вся эта вычислительная мощность, тем не менее, предоставляется по приемлемой цене, которая в рознице, вероятно, составит менее $200, что, по нашему мнению, еще доступно для многих радиолюбителей и разработчиков коммерческих продуктов.

Рисунок 4.	Команда разработчиков (слева направо): Дуй Пам (Duy Pham), технический сотрудник; Ричард Прайс (Richard Price), руководитель и координатор проекта; Эван Кустодио (Evan Custodio), технический сотрудник; Крис Роуэр (Chris Rauer), гуру в области программирования встраиваемых систем; Бо Чжоу (Bo Zhou), изобретатель концепции платы Cubic; Личэо Ли (Lichao Li), Web-разработчик.

Но теперь, создав эту вещь, мы столкнулись с проблемой – что же с ней делать? Даже если все мы в какой-то степени работаем (или работали) на Altera, это не был проект, спонсируемый компанией. После долгих размышлений, мы решили позиционировать Cubic SoM Board как открытый проект и предоставить свободный доступ к конструкторской документации. Конечно, команда Cubic продолжает инвестировать свое время в работу над улучшениями и обновлениями. В то же время, мы приветствуем любых субъектов бизнеса, которые будут заинтересованы в производстве и продаже плат Cubic Board, и приглашаем их посетить наш сайт CubicBoard.org.