XC3S500E

　ＳＶＺさんの力作であるデジタルＦＭ受信機を作ってみたものの、まだまだ、中身を理解するのは、まったくの力不足で、ＶＨＤＬとＦＰＧＡを使いこなせるようになりたいという思いは募るばかりです。いきなり、ＦＭチューナーの実験プラットフォームをいじり込むのは、なんだか不用意なことをしでかして、挙句の果てに壊してしまいそうで、ちょいと心配です。ということで、自由にいじることのできる、お遊び用のモジュールが欲しくなってきました。ということでまずは、ＬａｔｔｉｃｅのＸＰ2-5Ｅの載ってるボードを３組そろえました。こいつは、デジタルデザインテクノロジ誌に付属のものです。これは雑誌に付属ですが、あとで個別のボードとして発売されるときには、５０００円とかいう値段がつくに決まっていますから、なるべく雑誌が流通しているうちにと思って、買い込みました。これはＦＭ受信機のページにあるので、写真は省略します。

　さて、次なるツールは、・・・・なんといってもＦＰＧＡへのダウンローダー（書き込み器）がないと話になりません。↑はＬａｔｔｉｃｅ用のダウンロードケーブルです。パラレルポートを使って書き込むタイプです。今ではＵＳＢタイプが主流ですが、純正品は３万円ちかくしますので、おいそれと購入する気になりません。（たかがダウンロードケーブルごときに、高すぎるわ）というわけで、パラレルタイプを自作するわけです。当初、私のメインＰＣにもプリンタポートはついてるはずと思っていたけど、実は無かった顛末はこちらに書きました。このパラレルポートを使えば、問題ないだろうとタカをくくっていましたが、あっさり｛ＮＧ」が出ました。Ｌａｔｔｉｃｅの書き込みツールであるｉｓｐＶＭのダウンロードケーブルの設定ページには、パラレルポートのアドレスが設定できるようなのですが、増設パラレルポートのアドレスを書き込んで、書き込みデータをダウンロードしようにも、どうにもできません。デジタルストレージオシロを引っ張り出して、いろいろ波形観測しましたが、ＦＰＧＡからの応答のタイミングがまともに見えなかったまでは分かったのですが、原因が不明です。

　仕方がないので、プリンタポートのある旧メインのＰ４-1800ＭＨｚにｉｓｐＶＭをインストールして、書き込みはこちらですることで妥協しました。こんな面倒なことはしたくないので、新たに、プリンタポートのある安いＰＣを買おうと思っています。調べてみると、２万円も出せば、セレロンのＥ3200くらいが新品で手に入るようです。ＯＳをＸＰ−ｐｒｏで３万５千円なら、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、ＡＶＲの開発システム用に購入してもいいかも知れません。

　さて、Ｌａｔｔｉｃｅは書き込みできるようになりましたが、やっぱり業界標準？のＸｉｌｉｎｘもいじりたいと思っています。Ｌａｔｔｉｃｅのデバイスは配置配線記憶用のＦＬＡＳＨをデバイス内に持っていることが、他のＦＰＧＡに比べてアドバンテージになるので、外せないのですが、やっぱりＸｉｌｉｎｘをいじってないと「もぐり」のそしりを受けそうですので、ＬａｔｔｉｃｅとＸｉｌｉｎｘの二頭立てにすることにしました。

　ということで、↑はＸｉｌｉｎｘのこれまたパラレルポート用のダウンロードケーブルです。７４ＡＣ１２５を２個使う「標準回路」で作っています。でもねぇ、簡単に動かないのですよね、これが。特に３．３Ｖ系のＦＰＧＡでは、Ｘｉｌｉｎｘオリジナル回路では絶対動きません。回路を見てみると、論理レベルスレッショルドを丹念に追って行けば、何が原因か分かると思います。ヒントはあるデバイスをショートすればＯＫです。意地悪のようですが、ヒントでピンとこない方はケーブルつくりは止めたほうがいいと思います。市販のＵＳＢケーブルをお使いください。（と、昔、ＤＳＰでいじめられた仕返しをしてみる・・・・・いやな奴だなぁ（笑）・・・・・といってもＦＰＧＡなんてこの界隈の人はいじらないだろうから、あまり関係ないでしょう・・・・・（再笑））
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　＜続　き＞　【2009.10.17】

　次の図はＵＳＢ接続のダウンロードツールとＸｉｌｉｎｘのＦＰＧＡです。左の赤いボードはなひたふさんのところで販売しているＪｗｒｉｔｅｒと呼ばれる汎用書き込みツールです。Ｘｉｌｉｎｘ、Ａｌｔｅｒａ、Ｌａｔｔｉｃｅと３大メーカーのＦＰＧＡに対応しているので、頼もしい限りです。発売が７月ころだったと思いますが、ちょうどＦＰＧＡの開発ツールを整備していた最中だったので、思わず飛びつきました。これは汎用なので、ＦＰＧＡに書き込むファイルが完成したあと、ＪＴＡＧを使って書き込むためのもので、各社の書き込みツール（ＩＭＰＡＣＴ/ｉｓｐＶＭ等）から自動で認識されるるものではないようです。（これが認識されるようになれば、お値段を考えると無敵ですけど）

　また、上図の右側は２００５年のデザインウェーブマガジン誌に付属していた、Ｘｉｌｉｎｘのボードを気安くいじれるようにマウントしたものです。この、ボード付きＤＷＭ誌は、当時、「なんだか分からんが、将来いじることがあるかもしれない」くらいに思って購入してあったもののようです。今はこれにクロック回路（３３ＭＨｚ）、電源レギュレータと引き出し用の４０ピンのピンヘッダー（写真には写っていない）が実装されており、いろいろＩ/Ｏを引き出して遊ぼうと思っています。ＦＰＧＡはＳＰＡＲＴＡＮ３の５万ゲート相当の小ぶりな奴です。ＸＣ３Ｓ５０という名前です。それでも、５万ゲートもあり、乗算器も４つ入っていますから、基本的な回路ブロックの実装演習には丁度いいサイズです。

　続いて上の写真はデジタルデザインテクノロジ誌の創刊号付属のＬａｔｔｉｃｅのボードとその拡張予定ベースボードです。ベースボードは秋月の４００円のスルーホール基板です。何を拡張するか分かりませんが、基本的には、ピンヘッダー（５０ピン）×２に接続できる子ボードを作って（Ｄ/Ａコンとか）実験をするつもりです。ＬａｔｔｉｃｅのＦＰＧＡはＸＰ2-5というもので、ＬＵＴで4800程度ですから（ＦＦ無しも含む）ＸｉｌｉｎｘだとＳＰＡＲＴＡＮ３ＥのＸＣ３Ｓ２００くらいに相当するのでしょうか？ＲＡＭの規模やＬＵＴにＦＦがある/なし、また、配線記憶用のＦＬＡＳＨのある/なしという条件が揃えられないので単純比較はできませんが。先のＸＣ３Ｓ５０の４-５倍の規模というところでしょうか？

　実はベースボードをどういう形にしようか少し迷いました。汎用的なＩ/Ｏを搭載したこういうベースボードや、そもそもＦＰＧＡに大量にＩ/Ｏが付いている大きな評価ボード等もあるのですが、いろいろなＩ/Ｏが付いていても、それは実験、知識習得のためのもののような気がして、どうせすぐに使えなくなると思いました。それで、個別のＦＰＧＡボード+個別機能モジュール（今はＤ/Ａコンバータを製作中）の結合で、勉強しながら所要機能を実現していくほうが、結果的に安く上がるのではないかと考えました。

　話が少しそれますが、これ↑は、相当古いＦＰＧＡです。Ａｌｔｅｒａのボードで、「ＦＰＧＡで学ぶ論理回路設計」の旧版についていたものです。ゲート数は１万ゲートとのこと。一応買ったときは、これもいつか使うだろうと思ってお蔵入りしていたものです。ＰＣ側の動作環境にはＰｅｎｔｉｕｍ�V　400ＭＨｚ以上とありますから、殆ど骨董品の領域ですね。これ、中身はＶＨＤＬの勉強と銘打って、野球ゲームをロジックで作る話が延々と書いてありましたが、殆ど食傷気味で、なんじゃ？この内容は？と思って、ほおりだしてあったようです。

　今回、Ａｌｔｅｒａの最新開発ツールのＱｕａｒｔｕｓ�UのＶ9.0をダウンロードして、このボードをいじってみました。簡単なカウンタのソースをコンパイルして動作させて見ましたが、いまでもちゃんと動きます（って当たり前だが）。しかし、馬鹿にしてはいけません。インテルの８０８０マイコンが、当時６０００トランジスタ程度だったかと思いますが、それより、圧倒的にトランジスタ数で見れば多いのですから（笑）。

　最後のボードはエムエーアイ社というところのボードです。Ｘｉｌｉｎｘ　ＳＰＡＲＴＡＮ-３ＥのＸ３ＣＳ５００Ｅという、５０万ゲートのＦＰＧＡが搭載されています。それだけでなく４ＭビットのＳＲＡＭ、コンフィギュレーション用ＲＯＭも搭載していて、かなりお安い値段です（といっても諭吉が１枚飛びますが）ので２枚購入してしまいました。このＦＰＧＡは５０万ゲート、乗算器が２０もあり、この領域を使いきれる「シロートさん」は殆ど居ないでしょう。まさに今の私には「猫に小判」状態です。でも、近くに置いておけば、早く使えるようになりたいと焦るでしょうから、そういう効能を狙って買い込みました。また、ここまで用意して、「途中でギブアップしたら、もったいないから、絶対に習熟せーよ」という自分にプレッシャーを与えるものでもあります（笑）

はい、ちょっとアップの図↑です。でかいパッケージですねぇ。２０８本もピンがあります。こんなものが基板に半田づけ（リフロー？）されているのが、なんだか不思議です。

最後におまけのＦＰＧＡの側面図です。このパッケージは見た目、厚さが３ｍｍくらいありそうで、ピンは異様にひょろひょろ長いです。こんなＬＳＩは今まで見たことがなかったので、珍しくなってアップしてみました。パッケージの中のダイサイズは小さくても引き出し配線のお化けなんでしょうねぇ。

＜Ｄ/Ａコンバータその１＞　【2009.10.24】　

　さて、ＦＰＧＡとツールについては一通り揃ってきたので、肝心の機能実装に移ることにします。ＦＰＧＡでディジタル信号処理を行う場合、「手錬」（←「てだれ」と読む）の方なら、シミュレーションツールを駆使して完成まで一気に突っ走ることができるのでしょうが、初心者の場合はそうは行きません。まず、肝心なシミュレーションのためのテスト信号をまともに書けるようになるまで、たっぷり時間がかかりそうです（笑）。ということで、デジタル信号処理途中のパラレル信号をアナログ信号に引き戻して見てやれば、ある程度は動作確認ができるのではないかと思い、Ｄ/Ａコンバータを作ることにしました。

　その気になっていろいろ調べたのですが、ＲＦの信号からＡＦ帯の信号まで一台のＤ/Ａでまかなうの自信がなかったので、およそＭＨｚ帯以上と数１００ｋＨｚまでの守備範囲で２つに分割してみることにしました。適応領域をオーバーラップさせることもできますが、手持ちのＤ/Ａで低い周波数用のものは、とても古いものなので、周波数範囲は「動作するところまで」に留めることにしました。

ＡＤ7531を使った１２ビットＤ/Ａ

　まずは、低い周波数用ですが、ジャンク箱のなかから出てきたのはＡＤ7531という、Ｉｎｔｅｒｓｉｌ（ＨＡＲＲＩＳ）の石です。１０年くらい前に、何かの用途に買い込んだ記憶があるのですが、何をしようとしたのか覚えていません（笑）。データシートを見れば分かりますが、setting timeが1μｓなので、どんなにがんばっても数１００ｋＨｚどまりでしょう。データシートに出ていた回路でそのまま使っています。ＰＣ用途ではなかったのか、書き込みパルスが不要で、入力のパラレルビットに相当するアナログ信号が常時得られるタイプです。ＯＰＡはこれも、古（いにしえ）のＬＦ356です。（最新ものじゃなくなってしまいましたが、昔たっぷり買い込んだのが余っているので、使ってあげないと・・・・）　それにしても、なんともオールドファッションな組み合わせですね。

８ビットカウンターの出力を表示

　とりあえずくみ上がったので動作確認ですが、なにかデジタル信号が要ります。（当たり前だろ！）なににしよーかなーと思ったら、大昔に買ってあった、これがあることを思い出しました。岩田さんのところの初期の製品で、買い込んだ後はあまり使わず棚の肥やしになっていましたが、今回引っ張り出してきました。８ビットのカウンタ出力があるのでそれをそのままＤ/Ａのパラレル入力に突っ込んだのが、上の図です。ダウンカウントに従って鋸波が得られます。８ビットですから、扱ってる最高周波数はこの表示周波数の256倍の397ｋＨｚです。なんとか動いているようですが、スパイクも少し見えています。まさかこれの出力が非同期カウンタってことはないと思いますが、詳しくはＦＰＧＡで同期カウンタを組んでチェックしてみることにします。

さて、↓は高速Ｄ/Ａです。こいつは現行品でＳＶＺさんから教えていただいた１４ビット１６５Ｍｓｐｓのものです。これも今はなきBurr-Brown （なつかしー！、ＴＩに買収されました）の製品です。これは次回にでも。