ZedboardでPicoBlazeマイコンを動作させる

PicoBlazeは、ザイリンクスFPGAに組み込むことができる8ビット・マイクロコントローラーです。
Zynqには、強力なデュアルコア32ビット・マイクロコントローラーがすでに搭載されています。
このような小さなマイクロコントローラーを実装するために、なぜプログラマブルロジックを使用する必要があるのでしょうか?

PicoBlazeは非常にシンプルです。ブロックRAMから18ビットの命令をフェッチし、正確に2クロックサイクルで実行します。
ハードウェアで開発するには複雑すぎるようなステートマシンを実装するのにも使用できます。

PicoBlazeのリプログラミングは、PicoBlazeのアセンブリコードをWindowsの実行ファイルでコンパイルし、
JTAGでBRAMをリフラッシュする流れが一般的です [1]。
<a href=https://kevinpt.github.io/opbasm/>Open PicoBlaze Assembler</a>というオープンソースプロジェクトのおかげで、
Pythonインタプリタがあればどのプラットフォームでもコンパイルが可能になりました。

ここでは、簡単なPython スクリプトでPicoblazeをコンパイルおよびフラッシュすることを目的としています。
以下は、Vivadoのブロックデザインです。

PicoBlazeとブロックRAMの接続

まず、ザイリンクスのKen Chapman氏が作成したVHDLソースファイルkcpsm6.vhdでコアを作成することから始めます。
下図は、PicoBlazeとブロックRAMの接続を示したものです。

Vivado のブロックデザイン

BRAMはスタンドアローンのトゥルーデュアルポートRAMとして構成され、幅18 ビット、深さ2048 となっています。
これは、Zynqの36 kbブロックRAM 1つに完全に適合します。
これにより、理論的にはZedboard上に最大140個のPicoBlazeコアを配置することができます。

プログラムはBRAM PORT AからAXI4 Liteインタフェースでロードされ、PicoblazeはPORT Bから読み込みます。
以下は、Picoblaze上で100個の連続したプログラムをコンパイル、ロード、実行するのに合計2.5秒かかるPythonコードです。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

from koheron import connect, command
import os
import subprocess

class Picoblaze(object):
def __init__(self, client):
self.client = client

@command()
def write_ram(self, address, value):
pass

@command()
def reset(self):
pass

@command()
def set_input(self, value):
pass

@command()
def get_output(self):
return self.client.recv_uint32()

host = os.getenv('HOST','192.168.1.23')
client = connect(host, name='picoblaze')
driver = Picoblaze(client)

code = """
input s0, 0
add s0, {:x}
output s0, 0
"""

for i in range(100):

with open("test.psm", "w") as f:
f.write(code.format(i))

# Compile test.psm with Open PicoBlaze Assembler
subprocess.call(['opbasm', '--pb6', '--scratch-size=64', '--hex', '--mem-size=32', '--quiet', 'test.psm'])

# Write program to BRAM
with open('test.hex', 'r') as f:
for j, line in enumerate(f):
driver.write_ram(4*j, (int(line, 16)))

driver.set_input(2)
#driver.reset() # Restart picoblaze
print i, driver.get_output()
assert(driver.get_output() == 2 + i)

PicoBlazeの愚かな使い方ですが、Open Picoblaze Assemblerを使用してZynqで何ができるかを示しています。

FPGA設計のソースコード

Github

参考文献

技術情報一覧