REPTAR. Reconfigurable Embedded Platform for Training And Research. Buts du projet

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1 No REPTAR Reconfigurable Embedded Platform for Training And Research Cours CSE HEIG-VD Institut REDS, Reconfigurable & Embedded Digital Systems rte Cheseaux 1, 1400 Yverdon-les-Bains Buts du projet Projet géré et réalisé par l'institut Rassembler des compétences dans la conception matérielle et logicielle et l'intégration en une seule plate-forme embarquée Disponibilité d'une plate-forme embarquée pour le prototypage rapide de projets et d'exploration avec des partenaires industriels Plateforme extensible et modulaire Carte pour laboratoires de haute complexité pour les cours d'informatique, de systèmes embarqués, de l'architecture des processeurs et de la conception numérique Logiciels et outils open-source Transfert de technologie à l'industrie 2 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 1

2 Multiple configurations Rapid prototyping configuration Embedded platform CPU, FPGA & 7" screen Standalone CPU board Complex digital design in FPGA 3 Reconfigurable and Embedded Digital Systems La genèse Identifier les fonctionnalités de base nécessaires, optionnelles, must-have Plusieurs itérations Outils: tableau, arbre, brainstorming, etc vers la spécification détaillée 4 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 2

3 Spécifications Les fonctionnalités sont détaillées pour permettre un premier choix de composants (candidats) possibles A chaque fonctionnalité, le meilleur composant est choisi selon divers critères: Répond-t-il entièrement à la fonction? N est-il pas trop complexe? Disponibilité? Prix? Support hardware et/ou logiciel complet? Choix définitif des composants principaux vers la schématique complète 5 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Schématique Etude complète de tous les composants Derniers choix ou modifications de composants (si nécessaires) et mise à jour de la spécification à chaque changement Prendre un soins particulier à : Alimentations (démarrage en //, en série, ) Horloges, Reset (Etat à la mise sous tension) Debug et Test (mise en route de la carte) Différentes tensions entre les chips I/O (connecteurs, bouton, leds) vers le Layout (PCB) de la carte 6 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 3

4 Schématique (FPGA) 7 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Il est important de: Layout Définir la mécanique (taille, épaisseur, matériaux) Définir les règles de routage en accord avec le fabricant Définir le layer stack dès le départ (évolutif) Définir les plan de masse et d alimentation (évolutif) Définir les zones et signaux critiques à router en premier Définir les plans à impédances contrôlées 8 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 4

5 Le PCB REPTAR, c est: Layout 2 PCB (CPU et FPGA) 10 et 18 couches FR-4 7 et 12 alimentations différentes Signaux à impédance contrôlée Paires différentielles BGA et LGA 9 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Layout (FPGA) 10 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 5

6 PCB Layers Carte FPGA 18 couches Carte CPU 10 couches 11 Reconfigurable and Embedded Digital Systems PCB Signaux High-speed Carte FPGA DDR2 Adaptation des longueurs FMC Paires différentielles 12 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 6

7 Alimentations carte FPGA PCB 13 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Routage complex Carte CPU PCB HDMI out Adaptation des longueurs + Adaptation des niveaux élec. 14 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 7

8 Fabrication Combien coûte la plate-forme REPTAR? Base de 30 unités Pas d'antenne GPS PCB, montage Mise en route (1h) Mécanique telle que support plexi, support écran, supports antennes GPS et GSM, support alimentation Carte CPU 1'320 CHF TTC Composants inclus écran & carte d'adaptation, 1 antenne Wifi, 1 antenne GSM Emulateur JTAG/USB Blackhawk USB100v2 ~100 CHF Carte FPGA 2'200 CHF TTC Carte complète 3'520 CHF TTC 15 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Carte CPU Carte CPU 6x USB Host HDMI Jtag Console 10/100 Ethernet 1x USB Device Wifi module Reset & Boot SD Card User switches Audio In & Out Processor module TI DM3730 (Cortex-A8) 16 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 8

9 Carte FPGA Carte FPGA 2x HSMC (LPC) FPGAs Prog 2x Mictor Serial HS Sata 3G 4x AD & DA GPS & UMTS CAN Spartan 6 Spartan 3AN Flash 80x GP I/O User PB & Leds 7 Seg Toslink I/O Encoder USB 17 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware overview Architecture fonctionnelle Modularité matérielle et fonctionnelle Carte FPGA autonome Carte CPU autonome (sous réserve) 18 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 9

10 Module CPU Hardware REPTAR Module original: Variscite VAR-SOM-OM37 Microcontrôleur DM 3730 à base d'un Cortex-A8 (ARMv7) (compatible OMAP 3) Fréquence CPU de 1 GHz RAM DDR 256 MB ( MB ) Mémoire flash de 256 MB ( MB) Interface SDcard Interface pour écran TFT / Sortie HDMI Interface écran tactile capacitif Interfaces UART/I2C/SPI Interface Ethernet 100Mbit DAC/ADC 16 bits linéaire audio stereo MIC et Line In & Out Interfaces USB 2.0 Host + OTG Support pour JTAG 19 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Circuits programmables FPGA Xilinx Spartan 6 XC6SLX150TFGG éléments logiques Flip-flop Kbit de RAM distribuée Kbit de blocs RAM 4 MCB 8 Transceivers 3GHz Support pour JTAG 20 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 10

11 Hardware REPTAR Circuits programmables FPGA utilisée pour la configuration Xilinx Spartan3 AN XC3S200AN-5FTG256C Pilotage du chargement du bitstream dans la Spartan 6 Arbitreur de la chaîne JTAG Xilinx PlatformFlash XCF32P Stockage jusqu'à 4 bitstreams compressés pour la Spartan 6 21 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Dispositifs d'affichage Ecran tactile capacitif x 480 I 2 C pour la surface tactile Possibilité de connecter un écran résistif à la place du capacitif Affichage LCD 4 x 20 lignes Affichage 7-segments HDMI Sortie simultanée sur écran tactile & HDMI 22 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 11

12 Hardware REPTAR Sous-système Mémoire Mémoire externe DDR2 SDRAM (connectée à la Spartan6) 256 MB 800 MHz Mémoire flash parallèle (sur module CPU) 256 MB Mémoire DDR SDRAM (sur module CPU) 256 MB 400 MHz Interface SDCard présente sur le module CPU 23 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Sous-système des horloges Horloge 150 MHz (pour le sous-système SATA) Horloge 125 MHz (pour le sous-système PCIe) Horloge 100 MHz (pour logique interne Spartan 6) Horloge 100 MHz (pour logique interne Spartan 3AN) Horloge lente 25 MHz (pour logique interne Spartan 6) La FPGA Spartan 6 distribue les horloges suivantes à partir de son circuit PLL Mémoire externe DDR2 Interface PCIe Interface SATA 24 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 12

13 Hardware REPTAR Sous-système de communication Module 100 Mbit Ethernet intégré au module CPU Module WIFI & Bluetooth IEEE b/g/n compatible BT 2.1 compatible Module 3G & GPS Module mini carte PCI Express (full size) WCDMA/HSPA/HSPA Evolution, GPRS/EDGE, UMTS et GSM GPS assisté 25 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Interfaces utilisateur Tous ces composants sont situés soit sur la carte CPU, soit sur la carte FPGA, et fournissent ainsi des facilités pour le debug des circuits déployés. LEDs Boutons-poussoir Boutons reset (CPU & FPGA) Interfaces de debug (connecteurs Mictor) 26 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 13

14 Hardware REPTAR Interfaces sérielles Toutes ces interfaces interconnectent le CPU, FPGA et les différents capteurs embarqués. UART I 2 C SPI CAN 27 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Sous-système audio Audio 16 bits stéréo analogique 1 mini jack line In 1 mini jack line Out 1 Mic pre-amp mini jack Audio numérique 1 récepteur Toslink 1 émetteur Toslink 28 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 14

15 Hardware REPTAR Sous-système USB 6 connecteurs de type host (hub externe sur la carte CPU) 1 connecteur OTG (intégré au module CPU) 1 connection directe USB-UART vers la FPGA 1 connection directe USB-UART vers le CPU pour une console sérielle 29 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Liens haute vitesse 3 connecteurs SMB permettent l'accès aux transceivers haute vitesse de la Spartan 6 1 entrée différentielle 1 sortie différentielle Une entrée d'horloge de référence 1 connection PCIe entre la Spartan 6 et le module CPU 2 voies Horloge de référence interne ou externe 1 lien SATA entre la Spartan 6 et le module CPU 1 connecteur externe SATA depuis la Spartan 6 30 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 15

16 Hardware REPTAR Capteurs et actuateurs Capteur de température Capteur de lumière Buzzer Encodeur incrémental Accéléromètre 31 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Convertisseurs AD/DA DAC 12-bit 4 canaux Interface SPI Alimentation unique 3V-5V ADC 12-bit 4 canaux Echantillonage 1 MHz Interface SPI Alimentation analogique entre V Alimentation numérique entre V 32 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 16

17 Hardware REPTAR Sous-système JTAG Configuration de la Spartan 6 et PlatformFlash avec JTAG Module USB Platform Cable directement intégré à la carte FPGA Possibilité de choisir entre un connecteur JTAG classique (via Platform Cable Xilinx externe) et un câble USB Chaîne JTAG configurable par jumper avec Spartan 6, PlatformFlash, FMC1 & FMC2 (bypass) La Spartan 3AN possède son propre JTAG 33 Reconfigurable and Embedded Digital Systems Hardware REPTAR Connecteurs d'extension 2 connecteurs FMC LPC 34 lignes différentielles ou 58 signaux single-ended 1 paire haute vitesse Signaux d'horloge Interface JTAG Interface I2C Connecteur DHB DDK 78 signaux GPIOs depuis la FPGA Spartan 6 34 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 17

18 Hardware REPTAR Extensions de la FPGA: standard FMC Standard de cartes mezzanines pour FPGA 2 connecteurs : 58 signaux (ou 34 lignes différentielles) 35 Reconfigurable and Embedded Digital Systems FPGAs Bloc diagramme - Spartan6 36 Reconfigurable and Embedded Digital Systems 18

19 REPTAR Standard Design access to the peripherals by the ARM CPU Spartan6_top lba_wait_usr lba_add lba_usr_interface.vhd LB_add_data_wr > lba_data_wr lba_data_rd_usr < lba_data_rd lba_cs_usr_wr Lba user interface lba_wr_en lba_rd_en lba_cs_usr_rd Common user zone (lba and lbs) GPIOs Spartan3 GPIOs Cpu_sysclk/gpio_10/GPIO_1V8 i2c GPIOs LB_adress[24] bit to split up between SP3 and SP6 FPGA configuration dedicated pins lba_wait_usr LB_CS3 Bus LB_wait3 4 controller LB_ctrl_signals for Async access lba_add_en 1 8 LB_address Standard peripherals interface SPI spi spi_mux.vhd IRQ lba_ctrl.vhd generator spi_sel irq_generator.vhd lba_ctrl Address register 23 lba_add 23 lba_irq_user lcd_ctrl.vhd out LCD in Tri-state lba_wr_en control buffer lba_rd_en oe lba_cs_usr_wr Address lba_add decoder lba_cs_usr_rd encoder_sens_detector.vhd 24 for Async encoder access lba_cs_std control spi spi spi Accelero meter 12-bit A/D 7-segment displays Switches & LEDs SPI connector 12-bit D/A Alphanum LCD encoder Switches: DIP switches Push buttons ARM DM3730 Local bus 9 Tri-state buffer oe LB_CSx 4 LB_ctrl_signals LB_wait0 LB_CS4 9 LB_address LB_clk FIFO_cmd: add, bl, instr, wr_ en, full FIFO_rd: rd_en, empty, count FIFO_wr: wr_en, full 16 LB_add_data_wr lba_oe lba_data_rd_usr 16 lba_data_rd LB_data_rd lba_data_rd_std lbs_data_rd lba_cs_x LB_CSx lbs_oe lbs_ctrl.vhd lbs_ctrl Generic: nddr_fifo Bus controller lbs_add_ for Sync en access Address register LB_add_data_wr lbs_irq_user Address Decoder & Registers Buzzer control buzzer_ctrl.vhd oe Touch pad in control touch_pad_ctrl.vhd out in oe Open collector Tri-state buffer Tri-state buffer buzzer Touch pad GPIOs connectors FMC connectors UART connector REDS_CONN (80p) GPIO headers reset lba_sp6_registers.vhd Reset_button Clk_100_i CLK_100MHz Clk_25_i CLK_25MHz Clk_100 Clk_200 PLL lbs_address lbs_wait_user DDR2_clocks FIFOs FIFOs (data_rd, rd cmd wr PLL data_wr, cmd) Lbs user LB_add_data_wr MCB interface (memory controller) lbs_data_rd memc5_infrastructure.vhd & memc5_wrapper.vhd 256MB Mictor DDR2 connector lba_std_interface.vhd Common user zone (lba and lbs) loopback Digital CAN Bus SATA audio 37 Reconfigurable and Embedded Digital Systems LB_add_data_wr lbs_data_rd Can replace the MCB High speed Links SMB/SMA connectors 19

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