FPGA設計入門

Modified by Admin on Aug 23, 2019

Tutorial TU0116 (v2.0) May 17, 2008

このチュートリアルでは、アルティウムのInnovation Stationを使用したFPGA設計の基本を説明します。本書がカバーしているトピックは、Altium Designerを使ったFPGAプロジェクトの生成、デスクトップ NanoBoard にプラグインされるドータボード上の物理的FPGAデバイスに設計を書き込むこと、デザインプロセス - つまり、FPGAのプログラミングについて、です。設計階層の使用、仮想計器についても、簡潔に説明します。

アルティウムの Innovation Station - Altium Designer とデスクトップ NanoBoard の強力なコンビは、FPGA設計におけるデザインキャプチャ、インプリメント、テスト、デバッグにおいて必要とされるあらゆるツール、あらゆるテクノロジをリアルタイムで提供します。
アルティウムの Innovation Station は、最小限の労力でデバイスのインテリジェンスと機能にフォーカスすることができ、真の、持続可能な製品の差別化.を狙うことができます。この革新的なデバイスにより、プロセッサや組込みソフトの世界に取りかかる前に、設計についての確実な基礎知識を習得することができます。つまり、基本的な設計をインプリメントし、デスクトップNanoBoardにプラグインされたFPGA上でそれを動作させる方法についてです。
このチュートリアルでは、カウンタベースの単純な（非プロセッサの）設計を扱います。デスクトップNanoBoard上のユーザLEDが左から右、または右から左へ順に点灯するように、ターゲットのドータボードFPGAにプログラミングします。このチュートリアルのコースで、FPGA設計の基本を身につけることができます。説明は以下のとおりです。

Altium DesignerにおけるFPGAプロジェクトの生成と回路図ベースの設計をインプリメントする方法について。これには、部品の調達と、回路図上の配置、配線が含まれます。
設計をドータボードのFPGAにターゲッティングする方法。自動コンフィギュレーション機能を使用します。
設計のプロセス - コンパイル、回路の合成、ビルドなど、ターゲットデバイスのプログラムに使用するファイルを作成します。
設計階層を使った FPGAプロジェクト。簡単なカスタムロジック（HDL）を含みます。
仮想計器について。

このチュートリアルの設計例では、簡単なツイストリングカウンタを紹介しています（図1）。これは同期カウンタであり、反転させられた最終ステージの出力が開始ステージの入力に伝えられます。個々のフリップフロップではなく、Altium Designerで提供されるシフトレジスタのコンポーネントを使用します。基本となる回路図と追加のファイルについては、Altium Designerがインストールされているフォルダ内の \Examples\Tutorials\Getting Started with FPGA Design ディレクトリにあります。サンプルは、いつでも参照し、さらに学習することができます。いくつかのステップは飛ばし読みしてもかまいません。

図1 シンプルで非プロセッサベースの設計 - ツイストリングカウンタ
回路内の論理コンポーネント用の同期クロック信号は、NanoBoard上のリファレンスクロックから提供されます。カウンタ出力はNanoBoardのユーザLEDに表示されます。
NanoBoard上にあるリソースと一緒に使用できるデザイン内の追加ロジックは、以下のとおりです。

方向のコントロール - NanoBoard上で関連つけられたスイッチ（DIPスイッチの一部）の設定によって、カウントが左から右、または右から左へ進みます。
ストップコントロール - NanoBoard上で関連つけられたスイッチ（DIPスイッチの一部）の設定によって、カウントが止まったり、再開したりします。
クリアコントロール - NanoBoard上の 'DAUGHTER BD TEST/RESET' ボタンの設定によって、カウンタ出力のクリア（全LEDがオフ）ができます。

Desktop NanoBoard, についての詳細は、TR0143 Technical Reference Manual for Altium's Desktop NanoBoard NB2DSK01 を参照してください。
NanoBoardでサポートされているドータボードの範囲について、また、それぞれの仕様については、www.altium.com/nanoboard/resources を参照してください。

FPGAベンダツールについての重要事項

デスクトップNanoBoard や、プラグインドータボードに常駐する物理的デバイスにデザインをダウンロードできるようになる前に、適切なベンダツールをコンピュータにインストールしておく必要があります。これらのツールは、FPGAデザインをターゲットデバイスに配置配線するときに使用します。 FPGAベンダのツールは、Altium Designer と一緒には提供されません。各ベンダから独自に入手してください。
ドータボードについては、さまざまな種類をデスクトップNanoBoard で利用することができます。これらのドータボード上のFPGAデバイスは、商用ベースのツールだけでなく、各ベンダからウェブ経由でダウンロードできるツールによってもサポートされています。選択したドータボードを使用するには、関連するツールをインストールする必要があります。
ベンダツールについての詳細は、各ベンダのウェブサイトを参照してください。

Actel^® Designer または、Libero^® IDE については、www.actel.com をご覧ください。ソフトウェアのダウンロードには、ライセンスが必要です。ウェブのライセンスオプションをチェックしてください。
Altera^® Quartus^® II については、www.altera.comをご覧ください。アルテラの Quartus II ウェブエディションは、無料でダウンロードできます。ライセンスは必要ありません。
Lattice^® ispLever^® については、www.latticesemi.com をご覧ください。 ispLever スタータソフトウェアのダウンロードには、ライセンスが必要です。ウェブのライセンスオプションをチェックしてください。
Xilinx^® ISE™ については、www.xilinx.comをご覧ください。 Xilinx ISE WebPACK は、無料でダウンロードできます。ライセンスは必要ありません。

各ベンダのダウンロードツールへのリンクは、アルティウムのウェブサイトのベンダ情報のエリアでも、見つけることができます (www.altium.com/Community/VendorResources)。このページは、Altium Designerから直接アクセスできます。メインの Tools メニューで、Devices ビューをアクティブ（View » Devices View）にして、Vendor Tool Support エントリを選択するだけです。
注記 : アルティウムは、FPGAベンダツールについての技術サポートは提供していません。これらのツールのインストールについての詳細は、FPGAベンダから提供される情報を参照してください。

デザインキャプチャ

まず最初にしなくてはならないのは、Altium Designerの環境に設計を取り込む（キャプチャする）ことです。それはつまり、このチュートリアルで使用する回路デザインにとっては、必要なコンポーネントの回路図シートへの追加と、それらを順次配線していくことを意味しています。回路図に取りかかる前に、その内容、つまり、プロジェクトを作成しましょう。以下のセクションでご案内するのは、ツイストリングカウンタの設計をキャプチャするのに必要なステップです。

FPGAプロジェクトの作成

Altium Designerにおいて、すべての設計作業のベースになるのが、プロジェクトファイルです。 FPGA デザインでは、FPGA プロジェクト（*.PrjFpg）を作成します。プロジェクトドキュメントそれ自体は、ASCIIファイルです。プロジェクト情報などが収められており、プロジェクト、出力設定、コンパイル設定、エラーチェックの設定などのドキュメントなどで構成されています。
それでは FPGA プロジェクトを作成しましょう。

新しいFPGA プロジェクトを作成します。File » New » Project » FPGA Project を使用してください。
Projects パネルの新しいプロジェクト（FPGA_Project1.PrjFpg）名の上で右クリックして、Save Project コマンドを選びます。選んだ場所にプロジェクトを保存します。ファイル名Simple_Counter.PrjFpg が Basic FPGA Design Tutorial という新しいフォルダに作成されます。

注 : スペース、あるいはハイフン（-）はプロジェクトファイル名、ドキュメントファイル名に使用しないでください。違反すると、設計プロセスの途中で合成エラーに引っかかります。アンダースコア（ _ ）で代用し、エラーを防ぐようにしましょう。

回路図ソースドキュメントの追加

FPGAプロジェクトは本来、階層構造になっています。回路図、HDL（VHDL や Verilog）、OpenBus ドキュメントの数にかかわらず、階層下方のすべてのサブファイルを、シートシンボルで参照することができます。全プロジェクトにわたる一般的な単位ですが、単一のトップレベルの回路図でなくてはなりません。このシートは、デザイン用のポート - 設計がターゲットにしているFPGAデバイスの物理的なピンへのインターフェース - を含んでいるだけでなく、Altium Designer におけるFPGA と PCB の統合を容易にします。

_図2 新しいFPGAプロジェクト、ソース回路図を追加済み_このデザイン階層は、後ほど検討することにします。今のところは、FPGAプロジェクトに単一の回路図シート（トップシート）を追加するだけにしておきましょう。

新しい回路図ドキュメントを追加します。Projects パネルのFPGAプロジェクトのエントリ上で右クリックし、Add New to Project » Schematic コマンドを選びます。ブランク（空白）の回路図シートが、アクティブなドキュメントとして、メインのデザインウィンドウに開かれます。
このドキュメントを保存（File » Save）します。Simple_Counter.SchDoc という名前のファイルが、親になるプロジェクトと同じフォルダに作成されます。
プロジェクトそれ自体は、Projects パネルに変更されて表示されます。プロジェクトも保存します。プロジェクト名の上で右クリックし、Save Project を選んでください。

コンポーネントの配置

これで、「真っ白なカンバス」が手に入りました。必要なコンポーネントを追加していきましょう。コンポーネントは、デザイン回路の機能を表すものであり、デスクトップ NanoBoard NB2DSK01上にあるリソースとのインターフェースを提供します。
表1はツイストリングカウンタの回路を定義するのに必要なコンポーネントを定義しています。これらのコンポーネントはすべて、FPGA Generic 統合ライブラリ（FPGA Generic.IntLib）の中で見つけることができます。ライブラリは、Altium Designerがインストールされているフォルダの \Library\Fpga ディレクトリにあります。
表 1. ツイストリングカウンタの回路図に必要なデザインコンポーネント

シンボル	コンポーネント名	内容	必要な数
	FJKC	J-K フリップフロップ非同期クリア付	2
	INV	反転器	6
	J8B_8S	Bus Joiner - 8ピン入力バス、8個のシングルピンへの出力用	1
	OR2N2S	2入力の OR ゲート、Low A、Low B 入力（シングルピンバージョン）	1
	SR8CLED	8ビットの読取可能なシリアル/パラレル-入力、パラレル出力の双方向シフトレジスタ、クロック同期可能、非同期クリア（バスバージョン）	1

表2は、デザインに必要なインターフェースコンポーネントを表しています。これらのコンポーネントは、一般的に、ポートのコンポーネント（ポートプラグイン）として参照され、デスクトップNanoBoard上の関連するリソースと、ターゲットにしているFPGAドータボードの物理的なI/Oピンの間の接続を自動的に確立します。デザインを俯瞰する立場から見ると、それらはデザインの拡張と言えます。つまり、デザインからの信号が接続されるターゲットデバイスの物理的なピン、と言うことです。これらのポートコンポーネントはすべて、FPGA NB2DSK01 Port-Plugin 統合ライブラリ（FPGA NB2DSK01 Port-Plugin.IntLib）の中で見つけることができます。ライブラリは、Altium Designerがインストールされているフォルダの \Library\Fpga ディレクトリにあります。
表 2. ツイストリングカウンタの回路図に必要なポートコンポーネント

シンボル	コンポーネント名	内容
	CLOCK_REFERENCE	このコンポーネントは、デスクトップNanoBoard上の20MHz 固定のシステムクロック信号のインターフェースです。この信号を使って、同期クロック信号をフリップフロップとシフトレジスタのロジックに提供します。
	DIPSWITCH	このコンポーネントは、Desktop NanoBoard 上のDIPスイッチのインターフェースです。これらのスイッチのうち、3つを使用してカウンタ（の点灯、左または右）の方向、または停止をコントロールします。
	LED	このコンポーネントは、Desktop NanoBoard 上のユーザ LED とインターフェースします。 LED は、カウンタの出力を視覚的に表示するために使用します。
	TEST_BUTTON	このコンポーネントは、Desktop NanoBoard 上の 'DAUGHTER BD TEST/RESET' ボタンとインターフェースします。この（反転）信号は、シフトレジスタ上のロード可能なピンへの制御入力として使用します。、このレジスタのD入力をGNDに接続するときに、このボタンを押すと、レジスタのデータ出力に'0'がロードされます。

図 3 に示すように、これらすべてのコンポーネントを回路図シート上に配置します。上記二つの統合ライブラリ（FPGA Generic とFPGA NB2DSK01 Port-Plugin）がインストールされ、Libraries パネルからデフォルトで利用できればOKです。このチュートリアルではそれ以上のライブラリは使用しません。あとは、関連するライブラリをパネル内でアクティブにして、コンポーネントエントリをリストに選択します。パネル右上の Place ボタンをクリックするか、コンポーネントを直にシート状へクリック&ドラッグしてください。回路図配置のコントロールでは、反転や回転など、必要に応じた細かい調整ができます。
一度配置し、各コンポーネントの指定を終わらせます。Tools » Annotate Schematics Quietly コマンドを使ってください。

図3 回路図シートへのコンポーネントの初期配置（Simple_Counter.SchDoc）

デザインの配線

ここまでで、すべてのコンポーネントが配置されました。今度は、それらをお互いに接続していきましょう。デザインに接続性を追加します。

それでは、配線しましょう。図4のように、Place » Wire コマンドと Place » Bus コマンドを使用します。コマンドは、Wiring ツールバーから、とボタンでそれぞれ、利用できます。

図4 初期の配線状態 - ワイヤとバスの配置

図5 フリップフロップCLR信号をGNDに接続Wiring ツールバーから、ボタンをクリックして、GND 電源ポートを配置します。ポートがカーソルの上に浮いている状態で、TAB キーを押します。表示される Power Port ダイアログで、Style 属性を Bar に切り替えます。 2つのフリップフロップのCLRピンに接続しているワイヤの左下につながるように、ポートを配置します。
別の GND 電源ポートを配置します。再度 Bar を使って、シフトレジスタの CLR ピンにつながるようにしてください。
図6 シフトレジスタをGNDに接続Wiring ツールバーから、ボタンをクリックして、GND バス電源ポートを配置します。ここでも、ポートの Style 属性を Bar に変更します。ポートを配置して、シフトレジスタのD[7..0]ピンにつながるようにします。必要に応じ、Spacebar を押して、ポートを回転させます。

図7 バスエントリの追加
_図8 ERCマーカーのない終端の仕上げ_ここで、シフトレジスタの出力バスからそれぞれの信号を取り出すため、バスエントリを追加する必要があります。これらのエントリには、各自の変換器経由で、シフトレジスタのSLI と SRI 入力につながるそれぞれのワイヤを接続する必要があります。 Wiring ツールバーでボタンをクリックし、2つのバスエントリを配置します（図7）。
デザインをすっきりとさせ、コンパイル時の警告を最小限にとどめるには、No ERC マーカーをそれぞれ、未使用のバス用コンポーネント（U4）の出力に配置しておくと良いでしょう。 Wiring ツールバーで、ボタンをクリックし、No ERC マーカーの配置モードに入ります。未使用のピン O3 から O7までのそれぞれに、マーカーの位置を決め、配置します（図8）。

回路内のキーネットにラベルを貼り付けて、デザインの配置を完了させましょう。ラベルを貼ることで、設計の内容が理解しやすくなり、コンパイル時のデザインチェックには、問題の追跡に大いに役立ちます。

デザインにネットラベルを貼り付けましょう。図9のように、Place » Net Label コマンドを使用します（あるいは、Wiring ツールバーのボタンをクリックします）。図9のネットラベルは、サンプルです。重複さえしなければ、別の名前をネットラベルとして使うこともできます。

図9 最終のデザイン - 配線終了、ネットラベル添付済み

回路図とその親プロジェクトを保存します（File » Save All）。

お疲れ様でした。これで、すべてのデザインを回路図上に取り込む（キャプチャする）ことができました。このあとは、デザインを検証し、実際のFPGAデバイスをターゲットにしたダウンロードに移ります。

デザインの検証

図10 コンパイラの設定は、Options for FPGA Project ダイアログの Error Reporting や Connection Matrix タブで定義されます_作成したデザインを目的のFPGAデバイスに合わせてダウンロードする前に、インテグリティ（全体や信号の整合性）を検証しておくことをお勧めします。検証行うには、Altium Designerの強力なデザインコンパイラを起動する必要があります。コンパイルのプロセスは、プロジェクトの正しいネットリストを生成する上で、欠くことができません。 _Options for FPGA Project ダイアログ（Project » Project Options）の Error Reporting や Connection Matrix タブで定義されるオプションに従って、コンパイラは、電子的エラーや図面上のエラーを幅広くチェックします。
注 : このチュートリアルでは、それらのタブの変更は特にありません。デフォルト設定で十分です。

メインの回路図メニューから、Project » Compile FPGA Project Simple_Counter.PrjFpg を選びます。プロジェクトのコンパイルへ進みます。
警告やエラー、致命的な障害が発生すると、Messages パネル内のリストに記録されます。エラーや致命的な障害がコンパイル中に発生したら、このパネルは自動的に表示されます。発生したのが警告だけなら、このパネルは手動で表示する必要があります。メインデザインウィンドウ下部の System ボタンをクリックし、表示されるメニューから Messages を選びます。

エントリされたメッセージをダブルクリックすると、Compile Errors パネルの中に、エラーについての情報ウィンドウがさらに表示されます。重要な違反については、回路図上でズームされ、ハイライトされます。

正しく配線された回路図（Simple_Counter.SchDoc）については、ロードされない信号（図11）に関連する警告メッセージの数にだけ注目してください。これらが発生するのは、SQ0 と SQ7 を、SQ1 から SQ6ではなく、バス SQ[7..0] から取り出しているからです。このような警告であれば、無視することができます。

図11 正しく配線されたデザイン、コンパイル後に現れるメッセージ
これとは異なるメッセージが表示された場合は、問題を解決し、デザインプロジェクトをもう一度コンパイルし直してください。
コンパイル時のエラーについての詳細情報やどのように発生するのか、その解決方法などについては、TR0142 Project Compiler Error Reference を参照してください。

回路図とその親プロジェクトを保存します。

物理 FPGA デバイスをターゲットとして指定する

ここまででデザインの作成段階は終了したため、使用する物理 FPGA デバイス (デザインのターゲットと、デザインを最終的にプログラムし実行するメディア) を指定する必要があります。このチュートリアルでは、Desktop NanoBoard NB2DSK01 に挿入する、3 コネクタ付きドータボード上の FPGA デバイスをターゲットに指定します。
物理的インプリメンテーションのためのデザインのマッピングや制約条件のプロセスは、制約条件ファイルの作成を通じて実行されます。合成に必要な最小限の情報はデバイスの仕様です。
制約条件ファイルのセットは、制約条件ファイルの名前の単なるリストであるコンフィギュレーションを生成することで、デザインのターゲッティングを行っています。
デスクトップNanoBoard NB2DSK01 への配置における制約条件のシステムは、さまざまな制約条件ファイルをカバーしています。

リソースと、NB2DSK01 マザーボード、サテライト周辺デバイス、ドーターボードへのピンマッピング
サテライトボード（周辺ボードとドータボード）からNB2DSK01マザーボードへの接続

FPGAデザインプロジェクトを自動的にコンフィギュレーションできるようにするには、システムで使用中のハードウェアを特定できる Altium Designer の能力がカギになります。ハードを特定する機能は、NB2DSK01マザーボード、3コネクタドータボード、ペリフェラルボードそれぞれの上にある1ワイヤベースのメモリデバイスの使用で可能になります。デスクトップNanoBoard をターゲットにしたFPGA デザインプロジェクトは手動でもコンフィギュレーションできます。コンフィギュレーションを追加し、必要なボード制約条件ファイルを割り当て、マッピング制約条件を手入力すれば、プロセスは、自動コンフィギュレーション機能を使うより、ずっとシンプルなものになります。
この機能を使うと、FPGAデザインプロジェクト用のターゲットコンフィギュレーションは自動的に生成されます。必要なボードレベルの制約条件ファイルは、その後、自動的に定義され、システム内で見つかったハードウェア（マザーボード、ドータボード、ペリフェラルボード）をベースにして、コンフィギュレーションに追加されます。追加マッピングの制約条件ファイルもまた、生成され、コンフィギュレーションに追加されます。これにより、システム内（ドータボードやペリフェラルボード）に検知されたサテライトボードとマザーボードとの接続が取り扱われることになります。
注 : 古い 2コネクタのアルティウムのドータボードも、デスクトップ NanoBoard NB2DSK01 と一緒に使用することができます。ただし、自動コンフィギュレーションに必要なメモリデバイスは保持しません。
コンフィギュレーションと制約の概念、およびデザインの移植性におけるそれらの役割の詳細は、AR0124 Design Portability, Configurations and Constraints を参照してください。
自動設定など、デスクトップ NanoBoard NB2DSK01 の制約システムの詳細は、AP0154 Understanding the Desktop NanoBoard NB2DSK01 Constraint System を参照してください。
それでは FPGA プロジェクトを設定します。

自動コンフィギュレーション機能を使う前に、以下を確認してください。
- デザインのターゲットとなる、FPGA デバイスが搭載された 3 コネクタ付きドータボードが、NB2DSK01 マザーボードに挿入されていること。
- 我々の単純なカスタムデザインでは、プラグインペリフェラルボード上に常駐するリソースを使用しません。これらのボードは、マザーボードに接続したままでも、取り除いてもかまいません。
- NanoBoard が USB (またはパラレル) 接続を経由して PC に接続され、電源が投入されていること。
Devices ビューを開きます（View » Devices View）。 Live オプションを有効にし、Connected の表示が緑になっていることを確認します。

図12 自動コンフィギュレーション、Devices ビューから指示

自動コンフィギュレーション機能にアクセスできるようになります。実行には2つの方法があります。このチュートリアルの目的にとっては、どちらの方法にも考慮する価値があります。ここでは、以下の方法のうち、ひとつだけを取り上げて自動コンフィギュレーションプロセスを実行します。

方法1 デスクトップ NanoBoard のアイコン（ビュー内の NanoBoard チェーン）の上で右クリック、表示されるメニューから、Configure Fpga Project » Simple_Counter.PrjFpg を選びます（図12）。
方法2 デスクトップ NanoBoard のアイコンの上で右クリックし、NanoBoard Controllers パネルの Instrument Rack 関連の計器にアクセスします。その後、Board View ボタンをクリックして、NanoBoard Configuration ダイアログにアクセスします。 Auto Configure FPGA Project のドロップダウンをダイアログの左下から選択して、Simple_Counter.PrjFpg （図13）を選びます。ダイアログを使用することで、既存のデスクトップ NanoBoard NB2DSK01 システムの仮想的な（ダイナミック）概要を表示できます。ダイアログ内のイメージは、マザーボード NB2DSK01 に物理的に接続されている特定のペリフェラルボードとドータボードを表しています。

図13 仮想ベースの NanoBoard Configuration ダイアログからの自動コンフィギュレーション
自動コンフィギュレーションプロセスが実行されます。以下を参照してください。

コンフィギュレーションが生成されると、Simple_Counter プロジェクトに追加されます。コンフィギュレーションの名称は、デスクトップ NanoBoard と使用されているドータボードのバージョンに依存します。生成されるフォーマット名は次のとおりです。

motherboard code_revision_daughter board code_revision
例えば、デスクトップ NanoBoard NB2DSK01（レビジョン 8）で、ザイリンクス Spartan-3 のドータボード DB30 （レビジョン 6）を使用している場合、コンフィギュレーションは、 NB2DSK01_08_DB30_06 という名前になります。

制約条件ファイルは、その後、システム内に検出されたそれぞれのボード（マザーボード、ドータボード、ペリフェラルボード）用のコンフィギュレーションに追加されます。これらは、Altium Designerがインストールされているフォルダの \Library\Fpga\NB2 Constraint Files ディレクトリにソースがあります。各ケースで使用されるファイルは、ボードのタイプとバージョンで決まります。例えば、ザイリンクスの Spartan-3 ドータボード DB30 （レビジョン 6）を使用する場合、読み出されて、コンフィギュレーションに追加される制約条件ファイルは、DB30.06.Constraint になります。
ドータボードとペリフェラルボードのマザーボードへのマッピングを定義する制約条件ファイルもまた、作成されて、オンザフライで（ただちに）、コンフィギュレ－ションに追加されます。このファイルの名前は、末尾に '_BoardMapping' の付いた、コンフィギュレーションそのものの名前になります（例えば、NB2DSK01_08_DB30_06_BoardMapping.Constraint など）。ファイルは、プロジェクトファイル（Simple_Counter.PrjFpg）と同じ場所に保存されます。

コンフィギュレーションと制約条件ファイルの割り当てが、Configuration Manager ダイアログにリスト表示されます（図14）。

図14 コンフィギュレーションと制約条件ファイルの構成（Simple_Counter プロジェクト）

図16 コンフィギュレーションに追加された制約条件ファイルOKをクリックします。 Settings という名前のサブフォルダがプロジェクトに追加されて、Projects パネルにリスト表示されます。制約条件ファイルそれ自体は、Constraint Files サブフォルダにリストされます。

プロジェクトファイルを保存します。

これで、デザインのコンフィギュレーションは完了です。ドータボード FPGA デバイスをターゲットにして、プロセスを開始、最終的に、デバイスをプログラムします。

デザインの処理

FPGA ベースデザインのキャプチャが終了したら、次は、ソースファイルを処理する論理ステップに移ります。これは、デバイスベンダの配置配線ツールに入力するソースネットリストのファイルを得て、デザインをコンパイル、合成するプロセスです。
選択された物理デバイスにデザインがフィットし、FPGA プログラミングファイルを生成できるように、プロセスは配置配線ツールの実行を継続します。このプログラミングファイルは、プロセスチェーンの最終ステップ、つまり、物理的なFPGA デバイスへのデザインのプログラミング、へつながります。
全体的なプロセスの流れは、ソースファイルのキャプチャから物理的デバイスのプログラミングまで、Devices ビューから実行されます。

Altium Designer の Devices ビューがアクティブ（View » Devices View）になっていることを確認してください。
Live オプションが有効で、Connected 表示が緑であることを確認してください。

このビューは、検出された物理的FPGAデバイスに関連するコントロールを行います。このチュートリアルで説明するハードデバイスチェーンでは、物理的デバイスの 'Process Flow' として参照されています（図15）。

図15 物理的FPGAデバイスに関連する Process Flow
この Process Flowでは、以下の追加条件に合致するものについてだけ、説明しています。

使用するドータボートに合ったFPGAデバイス用のベンダツールがインストールされていること。
チェーン内のデバイス用アイコンの下のドロップダウンフィールドに、適切な Project / Configuration ペアが表示されていることプロジェクトに、検出された物理的デバイスへのデザインをターゲットにした、制約条件ファイルが含まれているコンフィギュレーションがある場合には、適正なペアが存在します。

自動コンフィギュレーション機能を実行していた場合は、ドータボードデバイスをターゲットにした制約条件ファイルを含む、このチュートリアル用の適切なコンフィギュレーションがすでに存在しています。したがって、Project / Configuration のエントリは、Simple_Counter / ConfigurationName として表示されます（例えば、Simple_Counter / NB2DSK01_08_DB30_06 など）。図15を参照。
Process Flowそのものは、4つの別々のステージから成り立っていて、各ステージの出力が次のステージの入力になります。 Process Flow の全体はProgran FPGA ボタンを直接クリックして実行させることができます。ただし、フローの最後のステージでは、各ステージを順番に実行することも大切です。

ここでは、フローのすべてのステージを実行することができます。現在のステージについては、ステージボタンの左側の矢印アイコンをクリックして含めるようにしてください。Compile（コンパイル）ボタンをクリックします。このステージでは、関連するＦＰＧＡプロジェクト内のソースドキュメントをコンパイルします。自分のプロジェクトにプロセッサコアが含まれている場合は、関連する組込みソフトウェアプロジェクトもこのステージで一緒にコンパイルします。チュートリアル用のシンプルな例は、プロセッサのないデザインになっているので、このステージの Design Compiler は単に電気的エラーと作図エラーを検証するためだけに使用します。この節にたどり着くまでに、すでにプロジェクトのコンパイルを行っているので、このステージは楽勝でしょう。

コンパイルのプロセスにおけるフィードバックは Messages パネルで見ることができます。いずれかのステージがちゃんとコンパイルできれば、関連するインジケータが緑に変わります。

Symthesize（論理合成）ボタンをクリックします。論理合成中に、ソースドキュメントは中間 VHDL ファイルに変換され、その後、ベンダの配置配線ツールに最適な形で、トップレベルの EDIF ネットリストが合成されます。特定のFPGAデバイスをターゲットにして、デザイン内のコンポーネントに関連する合成モデルファイルが検索され、該当の合成出力フォルダにコピーされます。

_図16 フローのＳｙｎｔｈｅｓｉｓ（論理合成）ステージで生成されたファイル_合成が成功すると、Generated [ConfigurationName] という名前のフォルダが作成されます。生成されたフォルダには、EDIF（Simple_Counter.edf）、VHDL（Simple_Counter.vhd）、合成ログ（Simple_Counter_Synth.log）があります。
論理合成のプロセスにおけるフィードバックは Messages パネルで見ることができます。

Build（ビルド）ボタンをクリックします。このステージでは、ターゲットの物理的ＦＰＧＡデバイス用のデザインを完成させるため、Altium Designerはベンダの配置配線ツールを呼び出して実行します。

図18 Buildプロセスにおける配置配線ステージの開始
以下のサブステージ（5つ）がそれぞれ順に実行されます。

- 設計の変換 Process Flowの論理合成のステージで生成されたトップレベルのEDIF ネットリストと、関連合成モデルファイルを使用して、NGD（Native Generic Database）フォーマットのファイルを生成します。
- FPGAへのデザインマッピング FPGAのプリミティブにデザインがマッピングされます
- 配置配線 低レベルのデザイン記述を（マッピングのステージから）利用して、FPGA内に目的の論理を配置する方法を導き出します。配置後に目的の相互接続が配線されます。
- タイミング解析 定義された任意のタイミングにおける制約条件下で、設計のタイミングを解析します。特定の制約条件がない場合（このチュートリアルには該当しません）、デフォルトのリストが使用されます。
- BIT ファイルの作成 デザインを物理デバイスにダウンロードするのに必要なプログラミングファイルを生成します。

ビルドのプロセスにおけるフィードバックは Messages パネルで見ることができます。ベンダに関する詳細なフィードバックについては、Output パネル（メインデザインウィンドウの下側にある System ボタンに関するメニューからアクセス）で見ることができます。
ステージがちゃんと終了したら、Results Summary ダイアログが表示されます。このダイアログは、ターゲットデバイス内で使用されるそれぞれのリソースと関連付けた要約情報を、任意のタイミング情報とともに提供します。このダイアログを閉じます



図19 ビルドプロセスの情報にアクセスし、ビルド結果の最終レポートを確認

図20 プログラミングプロセスの開始Program FPGA ボタンをクリックします。ビルドのステージで作成されたプログラミングファイルは、ドータボード上の物理的FPGAデバイスにダウンロードされます。ダウンロードは、PCからデスクトップNanoBoardへのJTAGリンクを通して実行されます。その過程は、Altium Designer のステータスバーに表示されます。

デザインがダウンロードされると、Devices ビューの物理デバイスアイコンの下にあるテキストが Reset から Programmed に変わります。ハードウェア側では、ドータボードの 'Program' LED が緑に点灯し、デザインが物理デバイスにロードされたことを示します。
プロセスフローと Devices ビューの詳細は、 AP0103 Processing the Captured FPGA Design を参照してください。

NanoBoard 上のDIPスイッチを以下のように設定してください。
- Switch 8: ONにしてください。止まっていたカウンタがスタートします。あるいは、LEDが左から移動します。
- Switch 7: ONにしてください。止まっていたカウンタがスタートします。あるいは、LEDが右から移動します。
- Switch 6: Onにしてください。カウンタがストップします。カウントが停止します。スイッチ7、8はOFFになります。
NanoBoard 上の 'DAUGHTER BD TEST/RESET' ボタンを押して、LEDをクリアします。
プロジェクトを保存します。

デスクトップNanoBoard上のユーザLEDがすべて同時にオンになります。これは、ツイストリングカウンタを構成するという当初の目的とは違っています。これは、NanoBoard上のリファレンスクロックが20MHｚであるためです。ここは、Mhzのファクタでクロックをスローダウンさせ、LEDが順に表示されるようにする必要があります。チュートリアルの次のセクションでは、いくつかの分周器を追加して、この課題をクリアしていきます。その上で、FPGAデザインにおける階層の使用についても検討します。

デザイン階層の検討

FPGA プロジェクトファイル（*PrjFpg）はさまざまなソースドキュメントとリンクすることで単一のプロジェクトとしてまとめられています。したがって、ドキュメント間やネット接続などの関連はドキュメント自体の情報で定義されています。
階層のあるデザインでは、デザインは論理ブロックで仕切られており、それぞれのブロックがトップの回路図シートにシートシンボルとして表現されています。各シートシンボルの Filename の属性は、それが表している元のデザインファイルを参照しています。元のデザインファイルには、以下のものがあります。

回路図シート
OpenBus システムのドキュメント
VHDL ファイル
Verilog ファイル

回路図のサブシートにも、さらに下位のデザインファイルを参照しているシートシンボルが含められていることがあります。このアプローチで、任意の深さや組合せを持つデザイン階層を作成することができます。
階層になったネットやバスとドキュメントとの接続性は、標準的な階層プロジェクトの接続の動作に従っています。そこでは、サブドキュメント上のポートが、シートシンボル上でそのドキュメントを表わす同じ名前のシートエントリに接続しています。回路図やVHDLのサブドキュメントについては、Figure 21 をご覧ください。

図21 階層のあるネットの接続性。下記ドキュメント上のシートエントリから相当するポートまで。
このチュートリアルでベースとなるシンプルなカウンタのデザイン例にとっては、デスクトップNanoBoardから供給される同期クロック信号が早すぎます。カウンタをスローダウンさせるため、分周器用の回路を追加します。 Simple_Counterの回路図にこの回路を追加するのではなく、サブファイルとして（最初は回路図に、その後にVHDLファイルに）キャプチャします。それによって、FPGAをプログラムする際、階層デザインがどのように、使用されるか、デモしてみましょう

回路図サブシートを使用する分周器

さらに進んで、分周器の回路を回路図サブシートにキャプチャしてみましょう。

回路図ドキュメント Simple_Counter.SchDoc を開きます。
シートシンボルを配置します（Place » Sheet Symbol）。最初は、シート上のフリースペースに配置してください。このシートシンボルはサブシートを表しています。サブシートの上に分周器の回路を定義します。
シートシンボルをダブルクリックし、表示される Sheet Symbolダイアログで以下のように設定します。
- Designator（部品番号）: U_Clock_Divider
- ファイル名: Clock_Divider.SchDoc.
シングルシートエントリをシートシンボルの左右に追加します（Place » Add Sheet Entry）。以下のプロパティを設定します。
- 左側のシートエントリ： Name: CLK_REF, I/O Type: Input
- _図22 元の回路図サブシートを参照しているシートシンボル_右側のシートエントリ： Name: CLK_OUT, I/O Type: Output
シートシンボルをメインの回路内、CLK_REF ポートコンポーネントの隣に接続します（図23）。

図23 シートシンボルが付された Simple_Counter の回路図。Clock_Divider.SchDoc サブシート が配置され、配線されています。
これで、親になるシートシンボルができました。参照先となり、目的の回路が載ったサブシートを実際に作成しなくてはなりません。

注記 : 以下のステップ6-9は、回路図サブシートとその内容を線画で定義するプロセスです。ステップのこの部分を省略するには、Project パネル内の Simple_Counter.PrjFpg のエントリを右クリックして、Add Existing to Project を選択してください。. Choose Documents to Add to Project ダイアログが表示され、Clock_Divider.SchDoc ファイルを開くようにナビゲートされます。このファイルは、Altium Designer をインストールしたディレクトリの \Examples\Tutorials\Getting Started with FPGA Design フォルダにあります。その後、プロジェクトと回路図のトップシートを保存して、ステップ10に進んでください。

シートシンボルを右クリックして、Sheet Symbol Actions » Create Sheet From Symbol を選択します。新しい回路図ドキュメント Clock_Divider.SchDoc が作成され、アクティブドキュメントとしてメインデザインウィンドウ内に開かれます。最初、このドキュメントには2つのポート、CLK_REF と CLK_OUT があります。これらは親のシートシンボルにおけるそれぞれのシートエントリに関連（接続）するものです。
Libraries パネルにアクセスして、6つの分周器コンポーネント（CDIV10DC50 - 50%の負荷サイクル出力で10分の1分周）を FPGA の一般ライブラリ（FPGA Generic.IntLib）からこの新しいシートの上に配置します。コンポーネントを順に接続し、2つのポートの間をつなぎます（図24）。

図24 回路図サブシート Clock_Divider.SchDoc 上のクロック分周回路

Tools » Annotate Schematics Quietly を使用してコンポーネントにアノテートを施します。
File » Save All を使用して回路図と親プロジェクトの両方を保存します。 Clock_Divider.SchDoc の保存には、デフォルトの場所（トップレベル回路図と同名のフォルダなど）を用意してください。
_図16 回路図サブシートの階層_プロジェクトをコンパイルして、エラーをチェックします。エラーがあれば、修正、保存し、もう一度コンパイルしてください。
コンパイル後、プロジェクトのシート階層を Projects パネルでチェックできます。これでプロジェクトがサブシート（Clock_Divider.SchDoc）を Simple_Counter の回路図の子として認識するようになります。

クロック分周器の回路の追加はこれで終了です。テストを行ってみましょう。

Devices ビューを開き、Live オプションが有効で、Connection の表示が緑であることを確認します。
物理的FPGAデバイスがプログラムされ、Process Flow は全ステージがちゃんと完了したことを表示（緑）しています。デザインのソースドキュメントを変更した場合、どうしてこのような結果になるのでしょうか。その答えは、Ignore FPGA source オプション（デフォルトで有効）にあります。このオプションを無効にしなくてはならない場合、Process Flowのステータス評価の際に、変更されたソースドキュメントが考慮されるようになります。試しに、Ignore FPGA source オプションを無効化してみてください。Process Flow の各ステージが黄色に変わり、失効、再度実行が必要、という状態になります。

図26 Ignore FPGA source オプションを無効にした場合、Process Flowの評価時に、変更されたソースが検討される

_図27 論理合成で生成されたサブシート用の追加VHDLファイル_ドータボードのFPGAデバイスを再度プログラムします。最も簡単な方法は、Process Flow の Program FPGA ステージを直接クリックすることです。それに先立つすべてのステージが自動的に、順次実行されます。なぜなら、それらは、いまや失効とされているからです。論理合成ステージの後で、この新しい回路図サブシートに関連する中間VHDLファイルが、プロジェクト用に生成されたVHDLファイル内に現れます。

一度プログラムされ、カウンタ（DIPスイッチのスイッチ7、スイッチ8がオン）を開始、NanoBoardのユーザLEDの出力がスローダウンしているのを確認します。以上でシーケンスはずっとクリアになりました。 DIPスイッチを使用して、方向を切り替えてみてください。今度はうまくいくはずです。

HDLサブファイルを使用する分周器

回路図シートとHDLコードの組合せでデザインをキャプチャする場合、デザイン階層のコンセプトは、容易に拡張できます。 VHDLやVerilogのサブドキュメントは、回路図サブシートと同じ方法で参照されます。つまり、シートシンボル中で、それが表しているサブドキュメントのファイル名を特定することで、参照されます。
VHDL サブドキュメントを参照する際、考慮される接続性は、シートシンボルからVHDLファイルにおけるエンティティの宣言までになります。エンティティをVHDLのファイル名とは異なる名前で参照するには、VHDLEntity パラメータをシートシンボルに含めます。この値は、VHDLファイルにおいて宣言された Entity の名前です。
Verilog サブドキュメントを参照する際も、プロセスは同様です。考慮される接続性は、シートシンボルからVerilogファイルにおけるモジュールの宣言までになります。モジュールをVerilogのファイル名とは異なる名前で参照するには、VerilogModule パラメータをシートシンボルに含めます。この値は、Verilogファイルにおいて宣言された Module の名前です。
Mhzの単純な遅延によるクロック分周を装備したVHDLファイルとして、追加したばかりの回路図サブシートの代用を考えてみましょう。
最初にVHDLソースファイルを生成します。

注記 : 以下のステップ1-3は、VHDLサブファイルとその内容を線画で定義するプロセスです。ステップのこの部分を省略するには、Project パネル内の Simple_Counter.PrjFpg のエントリを右クリックして、Add Existing to Project を選択してください。. Choose Documents to Add to Project ダイアログが表示され、Clock_Divider.SchDoc ファイルを開くようにナビゲートされます。このファイルは、Altium Designer をインストールしたディレクトリの \Examples\Tutorials\Getting Started with FPGA Design フォルダにあります。その後、プロジェクトを保存して、ステップ4へ進みます。

Projects パネルの Simple_Counter.PrjFpg エントリを右クリックして、Add New to Project » VHDL Document を選択します。新しいVHDLドキュメント VHDL1.vhd が作成され、アクティブドキュメントとしてメインデザインウィンドウ内に開かれます。ドキュメントを Clock_Divider.vhd の名前で、プロジェクトファイルと同じ場所（フォルダ）に保存します。
以下のVHDLコードをドキュメントに入力してください。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity Clock_Divider is
port (
CLK_REF : in std_logic;
CLK_OUT : out std_logic
);
end entity;
architecture RTL of Clock_Divider is
begin
process(CLK_REF)
variable i : integer range 0 to 999999;
begin
if rising_edge(CLK_REF) then
if i = 0 then
CLK_OUT <= '1';
i := 999999;
else
CLK_OUT <= '0';
i := i - 1;
end if;
end if;
end process;
end architecture;

ドキュメントを保存します。

VHDLソースファイルができました。これで、シートシンボルを直にそこから作成することができます。でもその前に、既存のシートシンボルを、トップレベルの回路図と参照先の回路図サブシートから削除しましょう。

回路図サブシート Clock_Divider.SchDoc をFPGAプロジェクトから削除します。Projects パネル内のサブシート名を右クリックして、Remove from Project をメニューから選択します。
Simple_Counterの回路図ドキュメント Simple_Counter.SchDoc を開きます。既存のシートシンボルをクリックして、Delete キーを押します。
メインメニューから、Design » Create Sheet Symbol From Sheet Or HDL を選択します。 Choose Document to Place ダイアログが表示されますので、Clock_Divider.vhd エントリを選び、OK をクリックします。
新しいシートシンボルを回路に配置、配線します（図28）。注意していただきたいのは、Designator と Filename が自動的に U_clock_divider と Clock_Divider.vhd に、それぞれ設定されることです。 VHDLENTITY パラメータもまた、value = clock_divider（VHDLサブファイルにおけるエンティティの名前）として追加されます。

図28 シートシンボルが付された Simple_Counter の回路図。Clock_Divider.vhd サブファイルが配置され、配線されています。

回路図とプロジェクトを保存します。
プロジェクトをコンパイルして、エラーをチェックします。エラーがあれば、修正、保存し、もう一度コンパイルしてください。
_図29 VHDLサブファイルの階層_コンパイル後、プロジェクトの階層を Projects パネルでチェックできます。これでプロジェクトがVHDLサブファイル（Clock_Divider.vhd）を Simple_Counter の回路図の子として認識するようになります。

クロック分周器のVHDLバージョンの追加はこれで終了です。テストを行ってみましょう。

Devices ビューを開き、ドータボードのFPGAデバイスを再プログラムします。Process FlowのProgram FPGA ステージをクリックしてください。
プログラムを行い、カウンタ（DIPスイッチのスイッチ7、または、スイッチ8のどちらかをオンに設定）をスタートさせます。 NanoBoardのユーザLEDで、スローダウンしたカウンタ出力と、DIPスイッチによる出力のコントロールとをはっきりと確認できます。

デバイスピンの状態をモニタします - ライブモニタリング！

デザインが、いったんFPGAにダウンロードされると、Hard Devices のチェーンがFPGAピンの状態のモニタに使えるようになります。実際に実行するには、デバイスに関連する JTAG Viewer パネル（計器パネルからアクセスできます）をLive Update モードで実行するように設定します。
高密度なコンポーネントパッケージが、デバイスピンの物理的なプロービングを不可能にしているところでは、JTAG Viewer パネルが物理的デザインのデバッグを「仮想的なスタイル」で促進します。そこでは、JTAG通信を標準で使用して、FPGAだけでなく、デザイン内の任意のJTAG準拠デバイスのピン状態を問い合わせています。各ピンの状態を表し、回路図シンボルとフットプリントの両方のイメージを含めることで、デザインの分析とデバッグを補助します。
すでにクロック分周器を導入して、カウンタをスローダウンさせたので、デバイスピンの動作をよりクリアに観察することができます。さらに先に進んで、中をのぞいてみましょう。

Devices ビューから、FPGA上でプログラムを実行しながら、Hard Devicesチェーン内の物理FPGAデバイス用アイコンをダブルクリックします。 Instrument Rack - Hard Devices パネルが表示されます（図30）。

図30 物理的FPGAデバイス用のInstrument パネル

JTAG Viewer Panel ボタンをクリックして、JTAG Device Viewer パネルにアクセスします。 Live Update と Hide Unassigned I/O Pin の両オプションが有効になっていることを確認してください（図31）。

図31 デバイスピンのライブモニタリング

これで、回路の動作中でも、物理FPGAデバイスのピンを観察できるようになりました。注意していただきたいのは、回路の実行に伴って、LEDアイコンが次のLEDポートへ、どのように点灯していくか、また、ツイストリングカウンタの典型的な出力を示しているかかどうか、です。コンポーネントシンボル上の関連ピンや点灯するフットプリントについて、各ピンがアクティブになる様子を確認することもできます。
カウントシーケンスの向きを、NanoBoardのDIPスイッチを使用して変更し、パネルの変更が反映されていることを確認します。

仮想計器の追加

デザイン内部のノードの状態をテストするため、仮想計測器を '接続する'ことができます。計測器の'ハードウェア'の部分は、他のコンポーネントと同じように回路図上に配置、配線され、FPGAに論理合成されます。各計測器へのインターフェースには、Devices ビューからアクセスします。
仮想計測器は、\Library\Fpga\FPGA Instruments.IntLib ライブラリから配置します。
一組の計測器をチュートリアル用のデザインに追加してみましょう。

周波数カウンタ（FRQCNT2） - クロック分周器回路からの周波数出力の表示用
デジタルI/Oモジュール（DIGITAL_IO） - カウンタ出力とNanoBoardのDIPスイッチに関連する3つのスイッチについての現在状態の表示用

これらの計測器についての、詳細は、CR0101 FRQCNT2 Frequency Counter または CR0179 DIGITAL_IO Configurable Digital IO Module のドキュメントをそれぞれ参照してください。
この時点で、論理合成後のプロジェクトには、VHDLサブファイルで供給されたクロック分周器があります。チュートリアルのこのパートでは、それをそのままにしておくことにします。回路図での分周器の編集作業に戻る必要は特にないからです。もちろん、試してみることはいつでも可能です。

周波数カウンタの追加

では、はじめましょう。周波数カウンタをチュートリアル用のシンプルなカウンタデザインに配置し、接続します。

Simple_Counterの回路図ドキュメント Simple_Counter.SchDoc を開きます。
Libraries パネルにアクセスして、FRQCNT2コンポーネントをFPGA Instruments という統合ライブラリ（FPGA Instruments.IntLib）から配置します。ＶＨＤＬサブファイルの参照に使ったシートシンボルの右下に配置します。
Tools » Annotate Schematics Quietly コマンドでアノテートを施します。

モニタしたい信号は、クロック分周器（CLK_OUT）の出力です。この信号をＦＲＥＱＡ入力に接続します。 TIMEBASE信号は、NanoBoard（CLK_REF）からのオリジナルの周波数である必要があります。

計器を接続します（図32参照）。ＧＮＤポートを配置します。計器のＦＲＥＱＡピンに直に接続されていますが、このチャネルは使用していません。

図32 シンプルカウンタのデザインに配置され、接続された周波数カウンタ

デジタルＩ/Ｏモジュールの追加

デジタルＩ/Ｏの計器を追加しましょう。

Libraries パネルにアクセスして、デザイン中のメイン回路の中央上方に、DIGITAL_IOコンポーネントを配置します。
Tools » Annotate Schematics Quietly コマンドでアノテートを施します。

接続を検討する前に、モニタしたい信号について、計器を構成しましょう

計器を右クリックして、Configure U13 (DIGITAL_IO)をメニューから選択。Digital I/O Configurationダイアログにアクセスします（図33）。注意していただきたいのは、デフォルトで、計器の構成がシングル8-bit入力バス（AIN[7..0]）、シングル8-bit出力バス（AOUT[7..0]）になっていることです。

図33 デジタルＩ/Ｏ計器構成のコントロールにアクセス

任意の出力を生成することで、デフォルトのエントリは簡単に削除することができます。 AOUT[7..0]信号をクリックして選び、Removeボタンをクリックします。
デフォルトの入力信号は、チュートリアルの目的にかなう周波数幅なので、この信号は保持しましょう。ただし、もっと意味のある名前にします。 Count_Output[7..0]という名前にします。 Style設定をLEDsとして保持します。ただし、Color設定は、Green（NanoBoard上のLEDの色を模倣）に変更します。
関連するDIPスイッチ信号をモニタするため、さらに3つの入力信号を構成に追加しましょう。 3つの信号は以下のように定義します。
- Signal 1 - Name: Shift_Left, Style: LEDs, Color: Green.
- Signal 2 - Name: Shift_Right, Style: LEDs, Color: Green.
- Signal 3 - Name: STOP, Style: LEDs, Color: Red.

ダイアログのInput Signal領域は、図34のようになるはずです。

図34 構成後のデジタルI/O計器

図35のように、計器を接続します。注意していただきたいのは、乱雑な接続を避けることです。そのため、ネットラベルを使用してモニタしたい信号（S04、SO3、SO2）を取り出します。このようなネットラベルは、データ取得ポイントのためにすでに作ってあるので、コピー&ペーストすれば事足ります。注意していただきたいのは、モニタしている信号は、すでにそれぞれの変換器を通過した後のものだということです。このことは、DIPスイッチに関連するスイッチがアクティブローであるために起こります。したがって、Offよりも、ONポジションに設定されたときに、ライトの点灯を確認するほうがよいでしょう。

図35 シンプルカウンタのデザインに配置され、接続されたデジタルI/O

ソフトデバイスJTAGのチェーンを有効にする

Altium Designer環境から、組込みプロセッサやFPGAデザイン内の仮想計測器への通信は、JTAG通信リンクを通じて行われます。この通信は、デスクトップNanoBoard上でソフトJTAG（またはNexus）チェーンとして参照されます。

_図36 Nexus JTAG コネクタ_ソフトJTAGチェーンの信号（NEXUS_TMS、NEXUS_TCK、NEXUS_TDI、NEXUS_TDO）は、デスクトップNanoBoardのNanoTalkコントローラ（ザイリンクスSpartan-3）に由来するものです。通信チェーンの一環として、これらの信号はFPGAドータボードの4つのピンに接続されています。これらのピンとの通信には、NEXUS_JTAG_CONNECTORというデザインインターフェースのコンポーネントが必要です（図36）。このコンポーネントは、FPGA NB2DSK01 Port-Pluginという統合ライブラリ（\Library\Fpga\FPGA NB2DSK01 Port-Plugin.IntLib）にあります。

_図37 Nexus JTAG ポート_このコンポーネントで、ソフトJTAGが使用できるようになります。関係するすべてのNexus対応可能デバイス（このチュートリアルでは、2つの仮想計測器）をこのチェーンに接続するには、NEXUS_JTAG_PORTコンポーネント（図37）の配置し、これを直接NEXUS_JTAG_CONNECTORに接続することが必要です。このコンポーネントは、FPGA Generic統合ライブラリ（\Library\Fpga\FPGA Generic.IntLib）にあります。
このNEXUS_JTAG_PORTコンポーネントが存在すると、NEXUS_JTAG_DEVICE=Trueというパラメータを持つすべてのコンポーネントがソフトJTAGチェーンに接続されます。
JTAG通信についての詳細は、AR0130 PC to NanoBoard Communicationsのドキュメントを参照してください。

_図38 JTAGデバイスをソフトJTAGチェーンに接続_NEXUS_JATAG_CONNECTOR と NEXUS_JTAG_PORT コンポーネントを Simple_Counter の回路図上に配置し、お互いを接続してください。
VCC電源ポートをNEXUS_JTAG_PORT コンポーネントのTRST入力に配置、配線します。

これで接続は完了です。2つの仮想計測器が設定され、図39のようになるはずです。

図39 デザインの最終段階、2つの仮想計測器の完成

回路図とその親プロジェクトを保存します。
プロジェクトをもう一度コンパイルします。今回は、Messagesパネルには、何も表示されません。これは、すべてのSQ 出力がDigital I/Oに使われているためです。これで、デザインのロードに進むことができます。

計測器コントロールへのアクセス

前のセクションで、ソフトJTAGチェーンに追加された仮想計測器の構造を確認しました。これからFPGAを再プログラムし、実際に計測器にアクセスしてみるその前に、Altium Designerの環境でこれらの計測器にアクセス可能かどうか、検討してみることは有意義なことです。
ホストコンピュータは、ターゲットの計測器にIEEE 1149.1（JTAG）標準インターフェースで接続されています。これは、物理的なインターフェースです。FPGAデバイスの物理的なピンへの接続を提供することで、計測器の組込みを可能にします。
Nexus 5001標準は、プロトコルとしてホスト～全デバイス間の通信に使用され、これを通じた各デバイスのデバッグが可能です。デバッグ可能なデバイスには、デジタルI/O、周波数カウンタが含まれます。その他のNexus準拠のデバイスであるデバッグ可能なプロセッサや周波数発生器、ロジックアナライザ、クロスポイントスイッチなども同様です。
これらすべてのデバイスがチェーン - Soft Device チェーン - の内部に接続されます。チェーンが定義されるのは、デザインがターゲットのFPGAデバイス内に実装された時です。チェーンはDevicesビュー内に表示されます。これは、物理的なチェーンではないので、外部の配線を見たりすることはできません。Nexus対応が可能なデバイス間で必要な接続は、FPGA自身の内部で行われます。

Devicesビューを開いて、ドータボードのFPGAデバイスを再プログラムします。
一度プログラムしておけば、Soft Devicesチェーンは最新のチェーンとしてビュー内に表示されます。チュートリアル用の2つの仮想計測器（図40）のアイコンもそこに含まれています

図40 プログラム後のSoft Devicesチェーン内にある仮想計測器

カウンタをスタートさせてください。NanoBoardのDIPスイッチ7または8を使います。
計測用のアイコンをダブルクリックして、関連する2つのパネルをInstrument Rack - Soft Devices panel に表示させます（図41）。これらのパネルは必要なコントロールを提供し、計測器との対話をリアルタイムで表示します。

図41 周波数カウンタとデジタルI/Oモジュールの各計測器用コントロールパネル
パネルを見れば、異常時の確認ができます。まず、周波数カウンタが周波数50Hzを表示します。覚えておいででしょうか。NanoBoardからのリファレンス周波数は20MHzでした。作成したクロック分周器がMHｚを分周しています。期待値の20Hzになっていません。次は、カウンタ出力用のLED表示です。デジタルI/Oパネルは、ややチラチラしすぎているようです。LEDは確かに、NanoBoard上で見られるようなスムーズなシフトを示していません。
この2つのシチュエーションを打開するには、それぞれの計測器に関するオプションをさらに構成していく必要があります。作業はそれぞれの計測器パネルから行います。

図42 カウンタのタイムベースを計測器用に変更して、計測器のTIMEBASE入力に物理的に接続されている周波数と同じになるようにする_周波数カウンタ用の計測器パネルでCounter Optionsボタンをクリックします。 _Counter Module - Optionsダイアログが表示されます。Counter Time Baseエントリをデフォルトから変更。50.000MHz を 20.000MHzにします（これで、計測器のTIMEBASE入力に接続した信号と同じ周波数になるはずです）。ダイアログを閉じます。ご覧ください。表示される周波数は、いまや20Hzになっています。
デジタルI/Oモジュール用の計測器パネルでOptionsボタンをクリックします。 Digital I/O Module - Optionsダイアログが表示されます。Update Display From Core Everyエントリをデフォルトから変更。250msを最小値100msにします。ダイアログを閉じます。より早く更新させることで、LEDはよりスムーズに表示されるようになります。

図43 表示の更新速度をアップ

作成したデザインを走らせてみましょう。カウント方向を切り替えたり、停止させたりすることで、デジタルI/Oモジュールはライブで、あるいは操作に伴って、アップデートされる様を観察します。

次のステップ

このチュートリアルでは、FPGA設計の基礎を学んでいただくため、アルティウムのInnovation Stationを使用することを前提に記述されています。チュートリアル用のシンプルなカウンタの実装を通じてご紹介してきた基本的なコンセプト、そのしっかりとした基礎を身に着けたことで、皆さんはもう、ご自身のFPGA設計に乗り出すことができます。
Altium DesignerとデスクトップNanoBoardが提供する開発環境は、このチュートリアルでご紹介した以上の、はるかに拡張的なツールと機能のセットをお届けすることができます。 32ビット処理、ハードウェアアクセラレーション、カスタムロジックなどは、人をひきつけるためのキャッチフレーズでしかありません。しかし、フルカスタム可能な仮想計測器があれば、自分専用のパネルインタフェースをレイアウトすることさえできるのです。
FPGA設計とアルティウムのInnovation Stationについての高度なイントロダクションついては、GU0123 An Introduction to Embedded Intelligenceのドキュメントを参照してください。
さらに、より進んだチュートリアル、より多くのツールや機能の提供については、以下のドキュメントを参照してください。
TU0122 組込みソフトウェア入門
 TU0123 Creating a Core Component
TU0126 Checking Signal Integrity on an FPGA Design
TU0128 Implementing a 32-bit Processor-based Design in an FPGA
TU0129 Converting an Existing FPGA Design to the OpenBus System
TU0130 Getting Started with the C-to-Hardware Compiler
TU0131 Capturing Video the Easy Way
TU0133 Designing Custom FPGA Logic using C
TU0135 FPGA デザインへのカスタム計器の追加

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