Arduino MKR Vidor 4000

[Elvis]

Temat o Arduino w dziale układów programowalnych może się w pierwszej chwili wydawać nieco nie na miejscu, ale chciałem napisać kilka słów o interesującej płytce od Arduino, a mianowicie o tytułowym MKR Vidor 4000.

Układ chociaż zaprojektowany przez fundację Arduino jest jednak dość nietypowy. Nie znajdziemy w nim starego i niekoniecznie dobrego AVR, zamiast tego jest SAMD21 z rdzeniem ARM Cortex-M0+, 256KB pamięci flash oraz 32KB RAM. To jeszcze nic nadzwyczajnego, ciekawie robi się dalej. Okazuje się, że na tej małej płytce znalazło się miejsce na jeszcze jeden mikrokontroler - jest to moduł WiFi oparty o ESP32. Na koniec najciekawsze, czyli układ programowalny FPGA ze stajni Intel-a (dawniej Altery): nowiutki Cyclone 10.

Więcej o samej płytce można przeczytać na stronie Arduino: https://store.arduino.cc/usa/arduino-vidor-4000

Płytka ma ogromne możliwości, ale wydaje się być jeszcze w fazie nazwijmy to późnego prototypu. Oprogramowanie nie jest jeszcze dopracowane, nie wszystko zostało opublikowane, a część kodu ma typowe dla Intela problemy z licencją - albo raczej z jej brakiem. Do tego nie najlepiej wygląda dokumentacja. Trochę to przypomina Intel Edison-a, ale miejmy nadzieję, że Intel nie spaprze kolejnego fajnego urządzenia.

To co na dzień dzisiejszy jest dostępne to wsparcie dla płytki MKR 4000 w Arduino IDE. Dostępne są również cztery dedykowane biblioteki oraz nieco przykładów. Zabawę z płytką najlepiej zacząć od przeczytania instrukcji, czyli: https://www.arduino.cc/en/Guide/MKRVidor4000

W niej znajdziemy podstawowe informacje o płytce - zapomniałem wspomnieć, że jest dostępna nawet ładowarka dla akumulatora Li-Po. Zgodnie z instrukcją warto uruchomić nieśmiertelny przykład z migającą diodą - działa 🙂

Z kolejnymi przykładami jest nieco trudniej. Ja na razie przetestowałem raptem kilka. Na początek bibliotekę "WiFiNINA" do obsługi WiFi za pomocą modułu firmy U-BLOX. Zgodnie z oczekiwaniami wszystko działa poprawnie, chociaż łączenie z siecią zajmuje zaskakująco dużo czasu - to chyba wina małej anteny przyklejonej na termogluta... producent chyba zdawał sobie sprawę, że zawalił projekt, bo opisano to w języku marketingu następująco: "The WiFi antenna built-in in the u-blox NINA-W102 module is made for embedded products and should NOT be touched."

W każdym razie WiFi działa, czyli na początek mamy Arduino + moduł wifi. Można testować dalej.

Kolejny etap to podłączenie monitora HDMI. MKR 4000 jest wyposażony w wyjście micro-HDMI podłączone do układu FPGA. Po podłączeniu monitora można zobaczyć logo Arduino:

Jednak uruchomienie własnego programu (nawet przykładowego) jest nieco trudniejsze. Okazuje się że musimy uruchomić monitor portu szeregowego i... podłączyć monitor po uruchomieniu programu. Przynajmniej u mnie inaczej nie działało. Ale długo zgadywałem o co chodzi 😞 W każdym razie podłączając stary sprawdzony monitorek 7" udało mi się uzyskać Arduino z wyjściem HDMI:

Samo programowanie odbywa się tradycyjnie w Arduino IDE. Cała komunikacja z FPGA ukryta jest w bibliotekach. Przykładowy program wygląda następująco:

#include "VidorGraphics.h"
#include "Vidor_GFX.h"

Vidor_GFX  vdgfx;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  // wait for the serial monitor to open,
  // if you are powering the board from a USB charger remove the next line
  while (!Serial);

  // Initialize the FPGA
  if (!FPGA.begin()) {
    Serial.println("Initialization failed!");
    while (1) {}
  }
}

void loop()
{
  // Fill the screen with a white background
  vdgfx.fillRect(0, 0, 640, 480, vdgfx.White());

  vdgfx.text.setCursor(150, 240);
  vdgfx.text.setAlpha(255);
  vdgfx.text.setSize(5);
  vdgfx.text.setColor(vdgfx.Blue());
  vdgfx.println("Forbot");

  while (1) {
  }
}

Arduino z monitorem to nie koniec możliwości jakie daje MKR 4000. Na płytce znajdziemy jeszcze złącze MIPI do podłączenia kamery. Jak można przeczytać na stronie jest to "Omnivision OV5647 camera. The MIPI camera connector is a standard format that you find on several commercial products". Okazuje się, że chodzi o kamerę do Raspberry Pi - wersja 1.3 zadziałała bez problemu.

Dołączony przykład pozwala na wyświetlenie na monitorze HDMI obrazu, który rejestruje kamera:

Nie widać tego na zdjęciu, ale warto podkreślić, że to nie jest znany z kamer dla Arduino standard 1 FPS. Obraz wyświetlany jest płynnie, a brak ostrości wynika z totalnie zdewastowanej kamery którą podłączyłem (jakoś nie miałem odwagi eksperymentować z nowym egzemplarzem). Wśród przykładów znajdziemy również rozpoznawanie kodów QR - ale wymaga lepszego "obiektywu" niż ma moja kamerka".

Na koniec najciekawsze. Na mikrokontroler SAMD21 można wgrać "emulator" programatora FPGA, czyli USB Blaster-a. Dzięki temu będziemy mogli programować układ Cyclone 10 bezpośrednio z poziomu Quartus-a.

Producent dostarcza kilka przykładowych projektów: https://github.com/vidor-libraries

Jednak jak wspominałem, baza oprogramowania wydaje się dopiero powstawać. Ale jeśli Intel nie zniechęci się do własnego produktu, MKR 4000 wydaje się być bardzo ciekawym rozwiązaniem.

Na koniec dostępność - jak zwykle Botland: https://botland.com.pl/pl/arduino-team-oryginalne-plytki/12946-arduino-mkr-vidor4000-abx00022-modul-z-fpga-cyclone-10.html

A cena - porównując z Arduino raczej zaporowa, ale przy porównaniu z modułami FPGA - bardzo korzystna.

 

 

 

Edytowano Styczeń 8, 2019 przez Elvis

[FlyingDutch]

Cześć Elvis,

też uważam, że wyposażenie tego zestawu uruchomieniowego jest bardzo ciekawe i korzystne cenowo. Mam tylko jedno pytanie, czy poza "Arduino IDE" można układ FPGA na tej płytce "programować" w czystm HDLu (VHDL lub Verilog)?

Pozdrawiam

[Elvis]

Jak najbardziej - są trzy możliwości programowania FPGA:

• można przygotować projekt, zsyntetyzować w Quartusie i wgrywać razem z programem Arduino
• można podłączyć się przez JTAG i bezpośrednio programować FPGA
• do mikrokontrolera SAMD21 można wgrać emulator USB Blastera u używać go do pracy z FPGA

Emulator USB Blastera jest gotowy w bibliotekach dostępnych z Arduino IDE, można go też pobrać z: https://github.com/vidor-libraries/USBBlaster

Dostępny jest też gotowy szablon dla projektu: https://github.com/vidor-libraries/VidorFPGA

Planuję się tym pobawić w najbliższym czasie. Na razie udało mi się zsyntetyzować przykład z VidorFPGA oraz połączyć przez emulator USB Blastera z FPGA. Może dzisiaj znajdę czas na miganie diodą.

Edytowano Styczeń 9, 2019 przez Elvis

[FlyingDutch]

Cześć,

jeszcze jedno pytanie: "Czy Mini PCI Express port " w który jest wyposażona ta wersja Arduino może być wykorzystana do połączenia tej płytki z komputerem PC? Jeśli tak, czy jest do tego jakaś dokumentacja, czy przykłady (lub artykuły w sieci)?

Pozdrawiam

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Elvis]

Niestety nie, to tylko złącze które jak podaje producent jest "łatwo dostępne i łatwe z montażu"... Więc jeśli się ma apetyt na więcej wyprowadzonych pinów trzeba pomyśleć nad gniazdem mini pci-e. Ale z PC tak się nie dogada 😞

[Elvis]

Przyszedł czas na mały update odnośnie MKR Vidor 4000, czyli opis używania płytki jako platformy dla FPGA.

Pierwszy krok to wgranie szkicu z emulatorem USB Blastera do SAMD21. Szkic znajdziemy w przykładach po zainstalowaniu biblioteki:

Teraz można uruchomić Quartus Prime i wczytać szablon projektu - dostępny w repozytorium: https://github.com/vidor-libraries/VidorFPGA

Jak widać synteza zajmuje dosłownie moment, szczególnie porównując do Xilinux-a i środowisko Vivado. Warto popatrzeć na dostarczoną definicję wyprowadzeń - wszystko jest już gotowe, nic tylko pisać własny kod.

Dostępna jest niestety raptem szczątkowa dokumentacja, ale analizując schemat płytki można się domyślić o co chodziło autorowi. Jako pierwszy test spróbowałem "pomigać diodą". Wybrałem pin D0 i napisałem krótki programik:

Czas syntezy właściwie się nie zmienił, co bardzo mi pomogło bo już zapomniałem składnię Veriloga i musiałem kilka razy poprawiać kod.

Kolejny krok to zaprogramowanie, czy też konfiguracja układu. Wszystko przebiega standardowo, zupełnie jak z "prawdziwym" USB Blasterem:

Na koniec wypada sprawdzić, czy kod faktycznie działa. Zamiast diody wykorzystałem analizator:

Częstotliwość użytego zegara to 120MHz, dzielnik 2^24 daje 7.15 Hz, a ponieważ zmiana stanu wyjścia jest co pełny okres więc wszystko się zgadza.

Wniosek jest taki, że  Arduino MKR Vidor 4000 można spokojnie zrobić płytkę prototypową dla układów FPGA.

Niestety przeglądając dostępną dokumentację, kody oraz schematy doszedłem również do mniej optymistycznego wniosku. Wygląda na to, że projekt jest w bardzo wczesnej fazie - pracowało nad nim raptem kilka (~2-3) osób. Jest jeszcze bardzo niedopracowany, jakość kodu delikatnie mówiąc nie powala, a same rozwiązania projektowe nie napawają optymizmem.

Nie chcę być czarnowidzem, ale płytkę polecałbym tylko bardzo odważnym. Można się na niej dużo nauczyć, ale ciężko powiedzieć czy projekt się rozwinie, czy raczej trafi do szuflady z niedokończonymi rozwiązaniami. Pewną wskazówką jest zapaszek Intela - który jakoś nie ma dobrej ręki do segmentu DIY, a już stara się ograniczyć dostęp do wszystkiego co tylko może (nawet emulator USB Blaster ma prekompilowane biblioteki, wszystko tajne).

Więc sama płytka jest bardzo ciekawa, ale jak na razie istnieje ryzyko, że spotka ją los Intel Edisona, Intel Galileo, Arduino z Intel Curie, itd. Chociaż mam nadzieję, że się mylę.

 

 

[piotrva]

Pytanie za 100 punktów - po co tam jakikolwiek procek, jak w układach FPGA można zrobić softprocesor? Jeden scalak mniej, a w zamian za to możemy podpinać peryferia bezpośrednio do magistrali procesora wewnątrz FPGA, 😉 a za cenę procka można by dołożyć jakąś kostkę RAMu.
 

[Elvis]

Trochę za dużo tych punktów na tak proste pytanie 🙂 Użycie mikrokontrolera jest akurat bardzo fajne.

Po pierwsze dzięki niemu mamy zgodność z innymi modułami serii MKR od Arduino. Jeśli nie chcemy bawić się FPGA, dostajemy gotowy wsad oraz biblioteki i wszystko działa jak na zwykłym MKR z akceleratorem. Czyli zwykłe Arduino z kamerą, HDMI oraz WiFi.

Druga zaleta, już dla miłośników FPGA to czas syntezy. Nawet prosty projekt z małym softprocesorem zajmuje nieco zasobów i wydłuża czas syntezy. Więc nawet banalne miganie diodą stanie się o wiele bardziej skomplikowanym projektem. Najczęściej takie rozwiązanie jest też znacznie trudniejsze - inne środowisko do syntezy, inne do programowania, czasem nawet różne programatory. W każdym razie nie tak proste jak szkic w Arduino IDE.

Na koniec najważniejsze. Wspomniany mikrokontroler jest programatorem FPGA. Gdyby go nie umieszczono na płytce, konieczne byłoby posiadanie USBBlastera - który też kosztuje i w sumie ma na pokładzie mikrokontroler. Rozwiązanie użyte w MKR jest bardziej uniwersalne, miłośnicy Arduino mają prostotę i pełną zgodność, a zwolennicy FPGA programator.

Warto też pamiętać, że na płytce jest już pamięć 8MB SDRAM, więc dostajemy mikrokontroler oraz pamięć i nie musimy z niczego rezygnować.

[piotrva]

Mnie najbardziej przekonuje to ostatnie, czyli, że i tak trzeba by programator / debugger do FPGA.

Bo tak to można by tam na stałe wgrać typowy Nios II z typowymi peryferiami (UART, SPI, I2C, PWM, Timery) i kompilować normalnie projekty na taką platformę.

Tak czy siak fajne podejście do tematu ;)