Mise à jour : 06-Jan-2022

BIENVENUE DANS L'UNIVERS DES SoC ET SoPC

(System on Chip et System on Programmable Chip)

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PRESENTATION ET DOCUMENTS

Vous trouverez ici un certain nombre d'informations sur ce sujet :

• Page VHDL dédiée à mon ancien collègue et compère Patrice Nouel, enseignant chercheur à l'ENSEIB-MATMECA qui a été l'un de mes maîtres notamment dans la maîtrise du VHDL. J'y reproduis ici ses cours, projets VHDL et notamment son fameux guide du rootard VHDL (version PDF). Merci à toi Patrice et bonne retraite ! Son blog vhdl33.free.fr
• Guide du rootard VHDL (version PDF)
• Section logique de Xavier Cotton
• Présentation du hardware Open source

LIVRES

• **** 06/01/22 Logique séquentielle. M. Sbaï. Editions Ellipses. 2019. Un livre sur l'électronique numérique bas niveau. Une bonne révision sur les éléments de base : logique synchrone ou asynchrone, bascules RS, D, JK, T, monostable, bascule de Schmitt, compteurs synchrones ou asynchrones, registres, synthèse des systèmes synchrones, synthèse des systèmes asynchrones, mémoires, CAN. CNA. C'est un bon livre qui permet de revoir tous ces éléments de base avec une synthèse classique d'un problème à la main sans langage HDL. La mise en page est assez austère
• **** 06/01/22 Les circuits FPGA et le langage VHDL. J. Sérot. Editions Ellipses. 2019. Un livre sur la technologie FPGA et le langage VHDL par la pratique. Il se compose d'une première partie rappelant l'essentiel sur les modèles de conception (fonctions combinatoires, fonctions séquentielles, machine de Moore ou de Mealy), l'analyse temporelle, la technologie FPGA ainsi que le langage VHDL. La modélisation en VHDL est aussi abordée. La deuxième partie est consacrée à des exemples avec une mise en oeuvre sur une carte DE10-Lite avec le logiciel Quartus : PGCD, filtre FIR, convolueur, UART et calculatrice. Une présentation succinte du logiciel Quartus d'Intel est donnée en annexe. C'est au final un bon livre qui permet de se faire un rappel sur le sujet. L'aspect codesign n'est pas abordé
• ****** 28/08/19 FPGA prototyping by VHDL examples. 2nd edition. Xilinx MicroBlaze MCS SoC. P. Chu. Editions Wiley. 2017. Il s'agit de la 2ème édition du livre "FPGA prototyping by VHDL examples. Xilinx Spartan-3 version" revu et mis à jour dans un contexte SoPC. Globalement, par rapport à la première édition, la première partie théorique sur le développement de circuits numériques en VHDL reste la même. Je vous conseille de maîtriser à 100 % cette partie. La nouveauté réside dans les parties 2 à 4 du livre avec une approche codesign pour la construction d'un système SoPC sur une carte Xilinx Nexys 4 DDR appelé FPRO (Fun and PROfessional). L'usage du microcontrôleur MicroBlaze MCS à la place du processeur PicoBlaze dans la version 1 permet de programmer en langage C/C++. Cette 2ème partie présente les aspects matériels VHDL (MicroBlaze MCS, bridge, sous-système MMIO d'E/S, GPIO, timer et UART) et logiciels (drivers et applications de test) d'un premier système appelé FPRO vanilla. Ce système permet d'intégrer jusqu'à 64 blocs IP ayant au plus 32 registres de contrôle. Le choix du processeur MicroBlaze MCS permet de s'afranchir du bus complexe AXI et d'avoir un bus synchrone très simple ce qui facilite l'écriture du pont vers le sous-système MMIO. C'est didactique et cela marche ! La 3ème partie aborde le développement d'autre blocs IP et de leurs drivers : XADC, PWM, afficheurs 7 segments, SPI, I2C,PS2, DDFS et ADSR. La partie 4 concerne l'interface vidéo VGA et reprend des parties de la première version du livre avec des choses plus avancées comme l'OSD ou le frame buffer. Ce livre n'est pas un livre sur l'apprentissage du langage VHDL et le lecteur devra déjà avoir un peu étudié ce langage bien que l'on puisse aussi l'apprendre à travers la première partie du livre. Les exercices proposés ainsi que le système SoPC FPRO sont téléchargeables. En annexe, on trouvera des tutoriaux pour la mise en oeuvre de Vivado et du système FPRO vanilla. Au final, c'est un ligne génial où l'on avance progressivement et qui permet de bien maîtriser le langage VHDL et l'approche SoPC avec une programmation aisée en langage C/C++. J'adore !
• ***** 12/04/17 Embedded SoPC design with NIOS II processor and VHDL examples. P. Chu. Editions Wiley. 2011. C'est une reprise du premier livre de l'auteur "FPGA prototyping by VHDL examples. Xilinx Spartan-3 version" mais dans l'univers Altera. Il s'agit là aussi de la mise en oeuvre du langage VHDL sur carte cible Altera. Le livre traite des cartes DE1 et DE2. La première partie reprend la première partie de son livre précédent avec un chapitre en plus de présentation des systèmes embarqués. A maîtriser bien sûr ! La méthodologie et le style d'écriture des exercices proposés que l'on peut télécharger sont facilement adaptables à ses propres besoins comme pour développer une FSMD. C'est vraiment très didactique notamment pour ceux qui veulent se faire une piqûre de rappel de VHDL. La deuxième partie est plus spécifique à Altera avec la mise en oeuvre du microcontrôleur softcore NIOS II : présentation du microcontrôleur NIOS II, mise en oeuvre avec les outils Altera en langage C et non en assembleur, périphériques d'E/S du processeur NIOS II, HAL, interruptions, périphériques custom, bus Avalon, contrôleurs SRAM et SDRAM. Puis on retrouve les périphériques abordés dans le précédent livre mais là interfacés au processeur NIOS II et contrôlés en C : clavier et souris PS/2, contrôleur VGA, contrôleur audio, contrôleur de carte SD. La quatrième et dernière partie traite du développement d'accélérateurs matériels comme des accélérateurs PGCD, fractales, synthèse de fréquence directe DDFS. Il y a aussi en annexe les références... Au final, c'est un ligne génial et complémentaire en 703 pages (!) du précédent livre de l'auteur mais plus spécifique à Altera et parfait pour apprendre à maîtriser le langage VHDL dans l'environnement Altera/NIOS II dans la perspective de développer des accélérateurs matériels sous forme de blocs IP interfacés sur ls bus Avalon en VHDL. J'adore aussi

• ****** 12/04/17 FPGA prototyping by VHDL examples. Xilinx Spartan-3 version. P. Chu. Editions Wiley. 2008. Un livre un peu ancien sur la mise en oeuvre du langage VHDL sur carte cible Xilinx. Le livre traite de la carte Spartan-3 mais cela marche aussi avec une carte Basys-2 (celle que j'ai utilisée avec ISE 14.7) , Basys-3, Nexys-3, Nexys-4... Ce livre n'est pas un livre sur l'apprentissage du langage VHDL et le lecteur devra déjà avoir un peu étudié ce langage bien que l'on puisse aussi l'apprendre à travers la première partie du livre. Ce livre a plutôt pour ambition sa mise en oeuvre dans un esprit synthèse RTL, ce qui revient indirectement à faire l'apprentissage du langage. Les 6 premiers chapitres balayent le langage VHDL dans ses principales utilisations : IDE pour le développement de circuits FPGA, circuit combinatoire, circuit séquentiel au niveau RTL, circuit séquentiel régulier, FSM, FSMD. Je vous conseille de bien maîtriser les chapitres de cette première partie car c'est vraiment le fondamental à connaître. La méthodologie et le style d'écriture des exercices proposés que l'on peut télécharger sont facilement adaptables à ses propres besoins comme pour développer une FSMD. C'est vraiment très didactique notamment pour ceux qui veulent se faire une piqûre de rappel de VHDL de synthèse. La deuxième partie traite des périphériques d'E/S toujours en VHDL : UART, clavier PS/2, souris PS/2, SRAM externe, VGA (graphiques fixes et animés, fontes de caractères) avec comme exemple le fameux jeu pong ! La troisième partie est plus spécifique à Xilinx avec la mise en oeuvre du microcontrôleur softcore PicoBlaze : jeu d'instructions ASM, interfaçage avec les E/S, interruptions... En annexe, on trouvera des templates VHDL usuels à prendre comme des fiches de cuisine sur la syntaxe VHDL. Il y a aussi en annexe les références... Au final, c'est un ligne génial où l'on avance progressivement et qui permet de bien maîtriser le langage VHDL surtout si l'on fait les exercices. J'adore !
• ****** 14/10/16 RTL Hardware Design Using VHDL. P. Chu. Editions Wiley. 2006. Un livre complet sur le langage VHDL et sa mise en oeuvre au niveau RTL : les bases du langage VHDL, assignements en concurrent, en séquenciel, synthèse du VHDL. On verra aussi le design des circuits séquentiels et combinatoires, le design des machines d'états régulières, FSM ainsi que la méthodologie RT (Register Transfer). L'auteur aborde enfin les problèmes d'horloge et de synchronisation. Le livre est très didactique et aborde tous les points importants du langage VHDL. Ce livre présente en fait toute la "théorie" du VHDL mis ensuite en pratique dans les livres "FPGA prototyping by VHDL examples. Xilinx Spartan-3 version" et "Embedded SoPC design with NIOS II processor and VHDL examples" de l'auteur. Il est donc conseillée de le lire avant ces 2 livres. A lire pour une meilleure maîtrise du langage VHDL et de l'écriture de machines FSM ou FSMD. On pourra télécharger les exemples du livre ainsi que les transparents d'un cours bâti sur le livre
• ***** 07/12/16 The Zynq Book. L. Crockett and al. Editions Strathclyde Academic Media. 2014. Un livre complet sur le codesign avec le composant FPGA Zynq de Xilinx. Cela va bien au-delà de la présentation du Zynq avec la présentation des SoC, des systèmes embarqués, de la synthèse de haut niveau HLS, des OS, de Linux... A travers 24 chapitres, on voit l'architecture du Zynq, le développement autour du Zynq avec Vivado et Vivado HLS, les cartes à base de Zynq comme la carte ZedBoard, le bus AXI, la création de blocs IP, la synthèse HLS (chapitres 14 et 15), la gestion des blocs IP, Linux et sa mise en oeuvre avec le Zynq. C'est un livre très riche et très complet qui présente le Zynq mais aussi bien plus. A lire par tout utilisateur du Zynq. Télécharger librement l'ebook. Télécharger librement l'ebook des tutoriaux
• **** 08/11/16 La conception de systèmes avec FPGA. P. Simpson. Editions Dunod. 2014. Un livre complet sur la conception industrielle de systèmes électroniques à base de FPGA. C'est un livre assez général, pas trop technique détaillant la gestion de projet, la spécification de la conception, la modélisation système, l'étude des ressources, l'environnement de conception, la conception des cartes, la consommation thermique, la conception au niveau RTL, les blocs IP, la vérification fonctionnelle, le respect des contraintes temporelles, le debogage et la validation du circuit FPGA. On sent toute l'expertise de l'auteur, ingénieur chez Altera. Il y a 2 parties un peu plus techniques très intéressantes sur SystemC (chapitre 3) et sur l'art d'écrire correctement du code VHDL RTL (chapitre 9.5). C'est un bon livre à lire pour avoir en tête tout le processus de conception d'un circuit FPGA dans un environnement industriel
• **** 07/10/15 FPGA-based Implementation of Signal Processing Systems. R. Woods and al. Editions Wiley. 2008. Un livre sur la mise en oeuvre de FPGA pour le traitement vidéo. Le livre aborde dans un premier temps le traitement du signal, les FPGA, l'arithmétique et son implémentation, les outils et le prototyping. Différents exemples d'implémentations dans le traitement DSP sont ensuite donnés. Le livre est très pointu mais donne beaucoup d'informations utiles. A lire en tant que concepteur avancé dans le DSP
• **** 07/10/15 Design for Embedded Image Processing on FPGAs. D. Bailey. Editions Wiley. 2011. Un livre sur la mise en oeuvre de FPGA pour le traitement d'images. Le livre aborde dans un premier temps le traitement d'images, les FPGA, les langages HDL puis la mise en oeuvre des FPGA et des techniques matérielles à mettre en oeuvre (architectures mémoire, caching, buffering...). L'auteur le fait pour différentes opérations : pixels, histogrammes, filtrages, transformations géométriques, transformations linéaires, labelling... L'interfaçage est aussi abordé : bus, liaisons série... Un livre qui donne de bonnes pistes pour l'implantation matérielle d'algorithmes de traitement d'images
• ***** 02/10/15 Advanced Digital Logic Design with VHDL. S. Lee. Editions Thomson Prentice Hall. 2006. Un livre sur le langage VHDL et sa mise en oeuvre. Un rappel en premier lieu sur les systèmes numériques suivi de la présentation du langage VHDL et des testbenches. Présentation du VHDL RTL en vue de la synthèse, machines d'états, composants programmbles. Des exemples VHDL sont ensuite décrits : analyseur de protocole USB, unité arithmétique rapide, microprocesseur RISC. Un livre très complet sur le langage VHDL et agréable à lire
• **** 08/11/11 Digital System Design with VHDL. M. Zwolinski. 2ème édition. Editions Prentice Hall. 2004. Un livre sur le langage VHDL à lire si l'on veut approndir le sujet et non s'initier. Ce livre aborde la logique combinatoire et séquentielle depuis le langage VHDL en passant par le niveau RTL. La simulation, la synthèse et le test sont aussi abordés. La testabilité (BIST, Boundary Scan...) est traitée ainsi que la logique asynchrone. Enfin, VHDL-AMS est aussi brièvement présenté.Un livre à lire si l'on possède les bases en VHDL
• **** 07/11/11 Rapid System Prototyping with FPGAs. R. Coffer and al. Editions Newnes. 2006. Pas très technique, un livre pleins de recettes et de conseils sur les différentes phases de conception et d'usage de circuits FPGA sur carte électronique : conception du PCB, design, simulation synthèse, implantation, programmation... Des chapitres intéressants sur les coeurs de processeurs embarqués, le DSP et les interconnexions d'I/O. Un livre très intéressant à lire pour avoir à l'esprit les "règles d'or" lors de la mise en oeuvre de circuits FPGA !
• **** 07/11/11 FPGAs 101. G. Smith. Editions Newnes. 2010. Un livre d'introduction sur le langage VHDL et les éléments de base RTL. Toutes les phases de développement sur circuits FPGA sont abordées notamment avec l'outil ISE de Xilinx : design, simulation synthèse, implantation, programmation... Facile à lire, un bon petit livre pour se faire une piqure de rappel sur le sujet
• **** 23/11/09 Architecture des systèmes sur puce. A. Attoui. Editions Technosup. 2005. Un livre sur la conception de systèmes SoPC. Ce livre reprend les thèmes classiques de la logique combinatoire et séquentielle avant de parler de l'architecture des circuits logiques programmables. Les systèmes à microprocesseur sont abordés. Les outils de synthèse ISE de Xilinx et Quartus II Altera sont aussi décrits. Il y a une présentation classique du langage VHDL. La conception d'un SoC est vue avec ISE. C'est ensuite le processeur softcore NIOS d'Altera qui est présenté du matériel au logiciel embarqué en passant par la mise en oeuvre d'un noyau Temps Réel ! L'intégration d'un périphérique sous NIOS est aussi abordée. On a au final un excellent livre. Ecrit en 2005, le processeur NIOS est obsolète, remplacé par le processeur NIOS II différent du premier, ce qui rend un peu obsolète la partie sur NIOS
• ***** 15/11/05 The Design Warrior's Guide to FPGAs. C. Maxfield. Editions Newnes. 2004. Un livre sur la conception de systèmes numériques à l'aide de circuits FPGA. Un excellent livre sur le sujet, clair, simple, facile à lire qui traite à peu près tous les sujets sur la question : l'origine des FPGA, architecture des FPGA, programmation des FPGA, FPGA vs ASIC, saisie schématique, HDL, approche C/C++, DSP, processeurs embarqués, modules IP, design high speed, les outils de modélisation et de synthèse, reconfigurabilité, outils opensource, les LFSR...En un mot : clair et complet. L'auteur est-il le "Jack Ganssle" du FPGA ?
• **** 10/11/05 FPGA-Based System Design. W. Wolf. Editions Prentice Hall. 2004. Un livre sur la structure des circuits FPGA et leur mise en oeuvre : la fabrication, les différents types de circuits, design de logique combinatoire et séquentielle, méthodologie de conception, langages HDL, systèmes multi FPGA. Un exemple est donné au final. Très bon livre abordant tous les aspects des circuits FPGA
• **** 07/10/05 Practical FPGA Programming in C. David Pellerin and al. Editions Prentice Hall. 2004. Ce livre aborde le vaste sujet de l'opportunité d'utiliser un langage informatique généraliste pour synthétiser un circuit numérique FPGA. Un très bon chapître présente l'intérêt des circuits FPGA comme plateforme de calcul. Un modèle de programmation pour les applications FPGA est ensuite abordé comme préambule à la description du langage Impulse C. L'idée de base est de créer des processus C (threads) communicant par des canaux ou Streams. On voit alors le lien avec les langages HDL comme VHDL avec ses processus et signaux. Il est alors possible à partir d'un fichier source Impulse C de générer un fichier RTL avant synthèse. Le reste du livre est consacré à des application de Impulse C : filtre FIR, triple DES...Les circuits FPGA ciblés sont ceux de Xilinx et d'Altera. Un chapître est aussi consacré au mariage de Impulse C et µClinux (écrit par J. Williams). Un très bon livre expliquant l'intérêt d'utiliser des langages comme C comme langages de présynthèse HDL

• ***** 14/03/05 Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays. U. Meyer-Baese. Editions Springer. 2001. Un livre rare sur l'implantation matérielle d'algorithmes de traitement du signal : filtres IIR, FIR, multirate, transformées de Fourier FFT, DFT, DCT, cryptographie, modulations numériques. Un livre exceptionnel avec une partie théorique complétée à chaque fois d'une partie pratique d'exemples en VHDL. Un CDROM contient les exemples en VHDL et Verilog et le logiciel Altera MAX Plus II Baseline. Exceptionnel !

• **** Rapid Prototyping of Digital Systems. J. Hamblen and al. Editions KAP. 2001. Présentation de l'environnement de développement Altera (schématique, VHDL et Verilog) et utilisation de la platine de tests UP1. Très bien fait

XILINX

• Site officiel de Xilinx
• Programme universitaire Xilinx. Support Xilinx
• Cartes d'évaluation Xilinx

LINUX ET PROCESSEUR SOPC

Il existe des processeurs (softcore) pouvant être intégrés dans un circuit programmable de forte densité. Ils sont généralement avec ou sans MMU, la tedance étant maintenant au spport de la MMU, et peuvent être utilisés avec un système d'exploitation de type Linux embarqué comme Linux ou µClinux. Voir ma page Linux embarqué.

• Page NIOS II d'Altera
• Wiki Altera
• Portage µClinux pour NIOS II sans MMU
• Portage Linux pour NIOS II avec MMU. Regarder aussi ici
• Extension Temps Réel dur Xenomai pour NIOS II sans MMU

• Extension Temps Réel mou PREEMPT-RT pour NIOS II avec MMU

   

• Portage de Linux sur Microblaze avec MMU. Plus de portage µClinux pour MicroBlaze sans MMU (obsolète). Regarder aussi ici

• Page processeurs de opencores.org
• Projet aeMB : un clone du processeur MicroBlaze

• Modules IP libres sur opencores.org
• Modules IP libres du Free Model Foundry
• Module IP du microcontrôleur 68HC11