Modulare Grafische Programmierung (MGP) von FPGAs

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1 Modulare Grafische Programmierung (MGP) von FPGAs Linna Lu Technische Universität Ilmenau Projektseminar KBSE Projektseminar KBSE Ilmenau Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 1

2 Gliederung des Vortrags: 1. Einleitung 2. Programmierung von FPGAs 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) als neuer Ansatz der FPGA-Programmierung 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung 5. Zusammenfassung Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 2

3 1.Einleitung 1.1 Problemstellung FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) gehören durch schnelle parallel arbeitende Recheneinheiten zu den leistungsfähigsten digitalen Schaltkreisen. Ihre geringe Systemgröße und geringer Energieverbrauch sind besonders im embedded Bereich vorteilhaft. Sie sind für flexible und sehr leistungsfähige hardwareprogrammierbare Lösungen die beste Wahl. Probleme: Nur eine effektive Programmierung der FPGA-Hardware kann die volle Leistungsfähigkeit ausnutzen. gute Kenntnis der Hardwarestrukturen, der Beschreibungssprache und der Implementierungswerkzeuge ist notwendig lange Einarbeitungszeit und höhere Kosten Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 3

4 1.Einleitung 1.2 Zielstellung schnellere und einfachere Programmierung von FPGAs notwendig Verschiedene aktuelle Programmiermethoden neue Methode der Programmierung MGP J Kurze Einarbeitungszeit J Mögliche Erweiterung um eigenen HDL-Programmcode und weitere Module (Netzlisten, Cores) Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 4

5 Gliederung des Vortrags: 1. Einleitung 2. Programmierung von FPGAs 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) als neuer Ansatz der FPGA-Programmierung 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung 5. Zusammenfassung Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 5

6 2. Programmierung von FPGAs 2.1 Herkömmliche Programmiermethoden Design entry (Programmeingabe) mit HDL (Hardware Description Languages), wie VHDL und Verilog -Programmierung der genauen zeitlichen Zuordnung zu Ereignissen möglich -Simulationen in verschiedenen Stufen möglich Nachteil: -gute Kenntnis der Hardwarestrukturen, der Beschreibungssprache sowie der Implementierungs- und Simulationswerkzeuge notwendig VHDL Design Entry VHDL-Datei Synthese Netzliste Implementierung Programmierdatei Simulation zeitliche Simulation -Lange Einarbeitungszeit [2] Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 6

7 2. Programmierung von FPGAs 2.2 Erweiterte grafische Programmierung grafische Programmierumgebung mit Matlab/Simulink und System Generator (Xilinx) übersichtliche grafische Programmierung auf hohem Niveau einfache und leistungsfähig realisierbare Simulation Beispiel: 1) Erstellen eines Moduls Ermittlung des Helligkeitsmaximums im Videobild mit Matlab/Simulink und System Generator 2) Simulation und Generierung der HDL-Dateien und Netzlisten Auf die Funktion und Anwendung dieses Moduls wird als nächstes eingegangen! Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 7

8 2. Programmierung von FPGAs Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 8

9 2. Programmierung von FPGAs Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 9

10 2. Programmierung von FPGAs Nachteile der Programmierung mit Matlab/Simulink und System Generator Notwendige Kenntnis der kommandozeilenorientierten Matlab- Scriptsprache, der grafischen Simulink-Programmierung, der Blöcke des System Generators und die Kenntnis des Implementierungsprogramms des FPGA-Herstellers Hohe Softwarekosten, speziell für zusätzliche Toolboxen, Blocksets, System Generator und Implementierungswerkzeug Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 10

11 Gliederung des Vortrags: 1. Einleitung 2. Programmierung von FPGAs 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) als neuer Ansatz der FPGA-Programmierung 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung 5. Zusammenfassung Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 11

12 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) Anwendung der MGP MGP nutzt die Oberfläche des ECS-Programms (Bestandteil der XILINX Implementierungssoftware) mit grafischen Grundelementen; ECS ist auch Programmieroberfläche für komplexere Funktionen Programmieren durch grafische Verbindungen der Grundelemente sowie komplexer Funktionsmodule Zusammenführung von Funktionen aus verschiedenen Programmierquellen möglich (Arbeit im Team) Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 12

13 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) Bestandteile der MGP ECS/Schematic Rahmenprogramm entsprechend der Hardwareumgebung auf der FPGA-Platine Funktionsmodule mit Dokumentation der Funktionen Softwarebedienung und Dokumentation des Programmierprinzips zu MGP Alle Bestandteile sind bei der AVT GmbH Ilmenau erhältlich! Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 13

14 Gliederung des Vortrags: 1. Einleitung 2. Programmierung von FPGAs 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) als neuer Ansatz der FPGA-Programmierung 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung 5. Zusammenfassung Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 14

15 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP 4.1 Aufgabenstellung Kameraanwendung zur Erkennung von Laserpointerpunkten in Videobildern und Anzeige der maximalen Helligkeiten und der Position auf einem Display Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 15

16 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP 4.2 Hardware-Plattform der Programmierung Ein FPGA-Development Kit der AVT GmbH Ilmenau war die Basis für die Realisierung der Aufgabenstellungen Blockschaltbild der AVT Development Kit-Hardware [4] Zusätzlich: ist eine Kameraplatine mit einem Graustufen CMOS-Sensor (max. Auflösung 1280x1024) angesteckt Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 16

17 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP Rahmenprogramm für das Ansprechen Der Hardware- Komponenten: Realisierung der Darstellung des Videobildes der Kamera auf einem Display mit einer Auflösung von 800x600 (SVGA) sichtbaren Bildpunkten bei 37,5 Bilder/s aus dem CMOS-Sensor Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 17

18 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP 4.3 Umsetzung der Programmierung mit MGP notwendige Module für Aufgabestellung CLK_DLL clk reset Pixeltakt Kamerasensoransteuerung 25 MHz RDY Bildinfo SRAM- Steuerung 25 MHz -> 50 MHz Bildinfo SVGA-Ausgabe 800x MHz Bildinfo Synchr. Counter 800x MHz Zähler Maxinfo Maximalwertbestimmung Maximalwertparameteranzeige Kommunikation I²C-Steuerung des Kamerasensors und RS232 Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 18

19 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP MGP-Programmierung für die Aufgabe Das Rahmenprogramm im Programm ECS öffnen Auswahl der notwendigen Komponenten Löschen nicht notwendiger Komponenten (hier nicht) Hinzufügen zusätzlich benötigter Komponenten (Max, Max_view) Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 19

20 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP Für zusätzliche Module Max und Max_view: notwendige Funktionsdateien (Netzliste: funktion.ngc, ECS-Symbol: funktion.sym) aus ngc_netzlisteverzeichnisse in das Arbeitsverzeichnis kopieren. ngc_netzlisteverzeichnisse Arbeitsverzeichnis Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 20

21 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP Einfügen und Verbinden der Module im ECS- Programm Symbolauswahl aus Arbeitsverzeichnis Funktionsmodul einfügen und verbinden Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 21

22 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP Die fertige Umsetzung der Programmierung für die Aufgabe SRAM-Steuerung Takt Kamerasteuerung SVGA-Ausgabe Zähler Kommunikation Max Max_View Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 22

23 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP Die Berechnung der Programmierdatei nach Abspeichern im ESC-Programm Beginn der Implementierung in der ISE durch Generate Programming File Programmteil Impact Programmierdatei mit dem Programmteil Impact in den FPGA laden. Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 23

24 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP Zur Realisierung AVT Development Kit mit CMOS-Kamera und Anschlüssen Kameramodul VGA-Anschluß RS232 FPGA-Platine Stromversorgung Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 24

25 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung mit MGP Ergebnisse für die Aufgabe Laserpunkt auf der Projektionsfläche und Darstellung am Monitor (Laserpointererfassung) Laserpunkt Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 25

26 Gliederung des Vortrags: 1. Einleitung 2. Programmierung von FPGAs 3. Modulare Grafische Programmierung (MGP) als neuer Ansatz der FPGA-Programmierung 4. Anwendungsbeispiel der Programmierung 5. Zusammenfassung Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 26

27 5. Zusammenfassung Modulare Grafische Programmierung (MGP) Einfache Bedienungen der Programmieroberfläche Zusammenführung von Modulen aus verschiedenen Programmierquellen (z.b. VHDL, Matlab/Simulink, ECS, Cores), d.h. Verbesserung der Teamarbeit für modulare Programmerstellung Implementierungssoftware Xilinx ISE als Web Pack kostenfrei Umfangreiche fertige Funktionsmodule (mehr als 800) von einfachen Grundfunktionen bis zur sehr komplexen Funktionen (überwiegend Bildverarbeitung, auch JPEG-Komprimierung) Umfangreiche Dokumentationen (Toolboxbeschreibung, Softwaredokumentation) Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 27

28 Literatur [1] [2] [3] Pospiech, J.: Modular Graphical Programming (MGP) of FPGAs, Conference proceedings, Embedded world conference 2005, Nürnberg, [4] Kurzbeschreibung AVT Spartan-IIE Development Kit (deutsch), [5] Dokumentation MGP-Toolbox, Internes Papier der AVT GmbH Ilmenau, wird mit MGP verkauft Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Linna Lu Projektseminar Softwaresysteme/Prozessinformatik KBSE 28