0
Help us understand the problem. What are the problem?

posted at

updated at

BSVによるSpaceInvaderのVerilogソースを公開

はじめに

過去に以下の記事を書きました。

これに対して「ソースは公開しないのですか」というお問い合わせがあったため、ここに公開することにしました。この記事では、verilogソースを合成・配置配線し、FPGAへプログラムする方法をガイドします。

基本的にはUltra96ボードが対象ですが、同様の手法でUltraZedボード及びArty7ボードでの動作を確認しています。

1. 準備

1.1 ツール

対象となるVivadoはVivado 2021.1です。tclスクリプトに版数依存があるため、他の版数では動作しないかもしれません。

1.2 公開リポジトリ

以下の場所から、ROMデータ、ソース、ブロックデザイン、合成制約の4つのフォルダ及びファイルを入手してください。
https://github.com/mocapapa/SpaceInvaders_BSV_Ultra96v2

1.3 ローカルフォルダ

以下のように仮定します。
C:/Users/<ユーザ名>/Vivado/<プロジェクト名>

1.4 機材

1.4.1 Avnet製Ultra96 V2

Xilinx Zynq UltraScale+ ™ MPSoCを搭載した評価ボードで、価格は約3万円です。
image.png

1.4.2 USB JTAGボード、ケーブル

PCからビットストリームをダウンロードする際に使うUSBからJTAGへのインタフェースボードです。これ用のUSBケーブルも必要です。ボード価格は5,000円です。
image.png

1.4.3 FSマイクロ製Ultra96toPMODボード

Ultra96からオーディオやビデオ(VGA)、ジョイスティック、スイッチとインタフェースするためのPMOD変換ボードです。作成枚数にもよりますが、Seeed Fusion PCBで10枚製造して送料込みで7.9USDでした。ただし、部品代は別で、基板だけの価格です。
image.png
本SpaceInvadersゲームをUltra96ボードではなく、ArtyボードやUltraZedボードに移植する際には本ボードは不要です。

UltraZedボードインタフェースを削除した最新版を作成しました。データは以下の場所に置いてあります。
https://github.com/mocapapa/Ultra96toPMODV10

以下は、最新版(V10)ボードで実際に動作させているところです。
image.png

1.4.4 PMOD VGAボード

Digilent製PMOD仕様のVGAインタフェースボードで8.99 USDです。ただしVGAモニタが最近は見当たらなくなっているため、写真のようにVGAからHDMIへの変換ケーブルを通して、その先にHDMIケーブルとHDMIモニタを接続しています。
image.png

1.4.5 PMOD I2Sボード

Digilent製PMOD仕様のオーディオインタフェースボードです。I2Sシリアルインタフェースを持ち、シリアルDACが搭載されているものです。オーディオケーブルで、アンプ搭載のマイクロスピーカを接続します。
image.png

1.4.6 スイッチ

インベーダでおなじみの、自機左右移動スイッチと、スタートボタン、弾発射ボタンです。国内では少々高いため、中国から輸入しました。が、送料は結構かかります。写真は100均ショップで購入したケースに取り付けた完成形で、費用は1,000円くらいです。

ケーブルの先のボードも今回作成したもので、ジョイスティックとスイッチをPMODとインタフェースするためのボードです。
image.png

ボードのデータは以下に置いています。
https://github.com/mocapapa/JoySw

2. 手順

2.1 ソース・データダウンロード

公開リポジトリから1.3に示すローカルフォルダに、下図で示す4つのフォルダ及びファイルをダウンロードします。

image.png

  • coe: ROMデータ
  • src: verilogソース
  • design_1.tcl: ブロックデザインの記述
  • Ultra96.xdc: 合成制約

2.2 ソフトブロック解説

以下のブログ記事に詳細を載せているため、ここでは割愛します。

2.3 Vivado立ち上げ

Vivadoを立ち上げ、Quick Start⇒Create Projectを実行します。

  • Project Nameに<プロジェクト名>
  • Project locationにc:/Users/<ユーザ名>/Vivado
  • Nextをクリック、RTL Project、Nextをクリック、Add Sourcesにおいて、Add Directoriesをクリック、Directoryにc:/Users/<ユーザ名>/Vivado/<プロジェクト名>/src
  • Nextをクリック、Add Constraints⇒Add Filesにおいて、c:/Users/<ユーザ名>/Vivado/<プロジェクト名>/Ultra96.xdc、Nextをクリック
    -Default Part⇒Boards⇒Ultra96-V2 Single Board Computerをクリック、Next、Finish

2.4 ブロックデザインの作成

Flow Navigator⇒IP INTEGRATOR⇒Create BLock Designを実行し、空のブロックデザインを作成します。

2.5 トップデザインの作成と設定

  • BLOCK DESIGN⇒Sources⇒design_1を右クリックし、Create HDL Wrapper⇒Let Vivado manage wrapper and auto-updateを選択、OK

しばらく待ちます。 - design_1_wrapperを右クリックし、Set As Topをクリックします。

2.6 ブロックデザインの作成

  • Diagram⇒Reduced Jogsを選択
  • Tools⇒Run TCL Script⇒design_1.tclを選択し、OK

2.7 ダイアグラムレイアウトを整える

  • Diagramの何もない場所で右クリックし、Expand/Collapse⇒Expand All
  • 再度何もない場所で右クリックし、Regenerate Layout
  • タイトルコメントを右クリックし、Format Comment⇒Text sizeに64、Box fill colorに204,255,255とし、OK

image.png

2.8 合成、配置配線、ビットストリーム生成

  • Flow Navigator⇒PROGRAM AND DEBUG⇒Generate Bitstreamをクリック

2.9 FPGAへのダウンロード

Ultra96 FPGAボードはフラッシュに焼きこむためにはFSBLが必要なようで、ノーソフトウエアを標榜するためには避けたいところです。従って、毎回ダウンロードすることになるので、その手順を示します。

  • Flow Navigator⇒PROGRAM AND DEBUG⇒Open Hardware Manager⇒Open Targetをクリックし、Auto Connectを選択。
  • Program Device⇒xczu3_0をクリック

これにより、FPGAに対してシリアルでビットストリームがダウンロードされ、実行されます。

さらに、Artyボードでは搭載Flashにビットストリームを焼くことができ、パワーオンでゲームを開始することができます。

Why not register and get more from Qiita?
  1. We will deliver articles that match you
    By following users and tags, you can catch up information on technical fields that you are interested in as a whole
  2. you can read useful information later efficiently
    By "stocking" the articles you like, you can search right away
Sign upLogin
0
Help us understand the problem. What are the problem?