Entorno de codiseño y cosimulación hardware-software basado en FPGA para la plataforma Arduino

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1 Entorno de codiseño y cosimulación hardware-software basado en FPGA para la plataforma Arduino J. M. Alcérreca, J. Castillo, J. I. Martínez josemaria@alcerreca.com, {javier.castillo, joseignacio.martinez}@urjc.es Universidad Rey Juan Carlos, DATCCCIA, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informática, Móstoles, Madrid 28933, Spain Resumen El proyecto Arduino ha adquirido una gran aceptación entre los aficionados a la electrónica y como método de enseñanza de los principios básicos de la programación con microcontroladores. Su facilidad de uso y la disponibilidad de un gran número de ejemplos y documentación lo hacen perfecto para iniciarse en el desarrollo de sistemas empotrados. En este trabajo se presenta una implementación de Arduino sobre FPGA, y un entorno de cosimulación hardware-software que permiten exportar todo el trabajo realizado por la comunidad Arduino al mundo de la lógica reconfigurable. 1. Introducción Arduino es probablemente el proyecto de hardware libre más conocido. Su éxito no está en absoluto relacionado con su capacidad de cálculo, altas prestaciones ni innovación técnica. Vender más de cien mil placas oficiales [1] ha sido posible gracias al trabajo hecho para facilitar el acceso a la electrónica digital a aficionados y estudiantes. Existen tres claves que han propiciado esta fama: Hardware asequible. La Arduino Uno tiene un precio aproximado de 22 euros [2]. Facilidad de acceso. Para comenzar a trabajar con Arduino sólo es necesario instalar un software gratuito (y libre) y conectar el USB. Estas herramientas son compatibles con Windows, Linux y Mac OS. Comunidad y apertura. Al ser un proyecto libre, Arduino disfruta de una comunidad especialmente activa que a diario propone y libera programas (llamados Sketches) y hardware libre (especialmente en forma de Shields, compatibles física y eléctricamente con los zócalos dispuestos para ellas en la placa Arduino). Hay usuarios y seis idiomas en el foro oficial [2], 220 Shields en la lista no oficial shieldlist.org y decenas de versiones alternativas o similares a la placa Arduino. La difusión del desarrollo sobre dispositivos lógicos programables está en un lugar parecido al que estaba la programación de microcontroladores antes de Arduino. La iniciación es compleja y nada asequible. Fuera de empresas y de los laboratorios de las universidades es caro y complejo realizar proyectos con FPGAs sin un gran presupuesto.

2 Figura 1. Arduino Uno Lo planteado en el presente proyecto es un método y unas herramientas para estudiantes, universidades y aficionados con los que desarrollar proyectos de codiseño software-hardware [3][5] sobre un clon de Arduino basado en FPGA. De esta forma es posible reaprovechar todo el trabajo realizado por la comunidad, además de permitir a los usuarios familiarizados con Arduino iniciarse en el mundo de la lógica reconfigurable a través de un entorno de desarrollo ya conocido. Para ello se utiliza de la familia ATmega de 8 bits (como los utilizados en Arduino) en una FPGA y se proponen métodos para utilizar todos los recursos disponibles como Sketches y Shields para potenciarlos con las virtudes del hardware reconfigurable. Figura 2. Ethernet Shield para Arduino 2. Herramientas y proyectos previos A continuación se presenta las herramientas y proyectos ya existentes que se han tomado como base para la realización de este trabajo Arduino IDE Es una aplicación libre para Windows, Linux y Mac OS que proporciona un entorno de programación y herramientas para compilar, grabar en la memoria del ATmega y probar los proyectos Arduino. Dada su sencillez, no cuenta con herramientas de depuración Arduino/Wiring El lenguaje utilizado para crear Sketches, conocido como Arduino/Wiring es en el que están escritos cientos de proyectos libres, códigos de ejemplo de sensores, etc. y con el que están programadas las

3 Shields. Se trata de un lenguaje en sintaxis muy similar a C que, junto con las librerías integradas, hacen de Arduino un sistema muy flexible, potente y además sencillo de programar AVR Core (opencores.org) Es un paquete para la emulación del ATmega103, escrito en VHDL. Tiene sincronizados los tiempos de ejecución y mismo repertorio de instrucciones que el microcontrolador original. Dada la analogía con los microcontroladores utilizados en placas Arduino (ATmega8, ATmega168, ATmega328 y ATmega 1280), es el core más apropiado disponible en código abierto. Algunas de sus características son: 32 x 8 registros de propósito general 23 vectores de interrupción Hasta 128kB (kilobytes) de programa y 64kB de memoria UART (Transmisor-Receptor Asíncrono Universal) programable Dos temporizadores/contadores de 8 bits con preescaladores separados y PWM 8 fuentes de interrupción externa Dos puertos paralelos Al usar este core para configurar la FPGA, estas características son modificables por si se necesita más memoria de programa o es necesario ahorrar espacio borrando ciertas funcionalidades Papilio Platform [4] Esta plataforma constituye un primer paso hacia el desarrollo de placas de prototipado basadas en FPGAs de bajo coste. Integran: FPGA Xilinx Spartan-3E: con opción de escoger entre el modelo XC3S250E ( puertas) o el XC3S500E ( puertas). Con estas cifras hay suficiente espacio para el core y un buen número de funciones más. La primera tiene un coste de $49 y la más potente, $69. Oscilador a 32Mhz: puede configurarse con el DCM (Administrador de reloj digital) de la FPGA para cualquier frecuencia de reloj. Esto es especialmente importante para obtener una compatibilidad total con el ATmega103. Conexión USB por dos canales, uno para programación y depuración y otro para la comunicación serie con otros dispositivos. Alimentación por el conector USB o un conector coaxial estándar con una tensión mínima de 6V. Memoria Flash SPI de 4Mbits para guardar la configuración de la FPGA tras su apagado. Figura 3. Papilio One

4 Además, se ha hecho un esfuerzo preliminar para conseguir cierta compatibilidad con Arduino, ofreciendo para ello: 1) El ATmega103 de Opencores: de repertorio de instrucciones parecido a los utilizados en Arduino (ATmega8, ATmega168, ATmega328 y ATmega1280) preparado para ser utilizado con la plataforma. 2) Un IDE (entorno de desarrollo) de Arduino: modificado para soportar el ATmega103 y preparado para compilar los sketches junto con el core y programar la Papilio con un solo clic o grabar permanentemente la lógica en la placa. 3. Objetivos Partiendo de esta base, en este trabajo se persiguen dos objetivos principales Simulación No existe un depurador-simulador para Arduino. Al estar enfocado a principiantes no es un requisito de primer orden ya que la depuración es una disciplina que requiere aprendizaje y cierto entendimiento avanzado de programación, útil en muy pocos casos con proyectos Arduino. Puesto que el objetivo último del proyecto es habilitar la coexistencia de programación software y hardware, es probablemente necesario un repertorio de herramientas más completo y se estima sin duda la necesidad de herramientas de simulación para depuración tanto del software como del hardware conectado a Arduino. El software elegido para simular es ModelSim, de Mentor Graphics, ya que aunque es de código propietario y comercial, existe una versión especial de educación y no hay hasta la fecha aplicaciones similares en prestaciones en código libre. Con ModelSim es posible ejecutar una simulación del sistema completo incluyendo el programa del microcontrolador (ya sea escrito en ensamblador, C o Arduino/Wiring), junto con el hardware desarrollado a medida para acelerar ciertas tareas o para añadir compatibilidad con nuevos buses o interfaces (I2C, SPI, Ethernet, ). Para realizar esa simulación el código es compilado y cargado en los modelos VHDL de las memorias del core ATmega. Modificando este código compilado, es posible cambiar el programa ejecutado por la FPGA. Una vez simulado el sistema es posible sintetizar el código Arduino para la FPGA que utiliza la Papilio Platform y sustituir el contenido de las memorias de bloque del bitstream por el programa compilado. Lo propuesto es mantener el entorno de desarrollo Arduino con la modificación hecha para Papilio Platform y modificarla a su vez para que, además de descargar el programa en una placa, se genere automáticamente uno o varios módulos SRAM con el programa compilado, en VHDL, para su simulación inmediata Optimización/Aceleración Hasta este punto del proyecto no existe diferencia entre utilizar un microcontrolador o una FPGA para ejecutar un mismo programa. Tampoco la simulación con herramientas como ModelSim supone una gran ventaja frente a las comúnmente utilizadas en programación de microcontroladores. La motivación del proyecto surge cuando se alcanzan las limitaciones de los microcontroladores de Arduino, concretamente tanto en potencia de cálculo como al depurar programas complejos, por ejemplo cuando se necesitan gestionar un gran número de interrupciones externas o internas en proyectos de tiempo real ya que surgen fallos y glitches difícilmente detectables. Por tanto, el segundo objetivo del proyecto es generar herramientas y procedimientos para acelerar ciertos procesos utilizando las virtudes del hardware reconfigurable.

5 Utilizando el lenguaje de programación de Arduino y su entorno de programación, la optimización consiste en hacer llamadas a módulos VHDL para así descongestionar el microcontrolador y permitir el aislamiento de ciertos procesos. Por ejemplo, en proyectos donde se haga un uso extensivo de interrupciones externas como al usar sensores de ultrasonidos, es preferible construir un módulo que recoja los datos, independientemente del core, y que incluso haga los cálculos de filtrado. Esta es una de las ventajas más importantes al utilizar FPGAs. De esta forma el microcontrolador recoge el dato cuando lo necesita e invierte los mínimos recursos en la lectura del sensor. Otro caso típico es la generación ondas mediante un PWM. Cualquier microcontrolador con temporizadores es capaz de generar señales pseudo-analógicas pero requiere interrumpir los procesos principales para atender la generación de la onda. Además sólo hay un número limitado de pines disponibles para salidas analógicas. Para este tipo de situaciones es necesario: Detectar un proceso que congestione el microcontrolador y estudiar la posibilidad de crear una versión VHDL del mismo. Crear un protocolo y un canal de comunicación entre el microcontrolador y el módulo. Depurar. A la hora de definir el canal y el protocolo de comunicación entre el software corriendo sobre el procesador ATmega y el nuevo hardware de propósito específico se proponen dos opciones:: Conectar el módulo VHDL a los puertos de E/S externos disponibles en el microcontrolador (48 pines digitales). Este método requiere la confección de un protocolo pero la modificación del core es muy simple ya que basta con desconectar los pines externos del core y usarlos en los módulos propios. Desde Arduino se utilizan llamadas a digitalwrite o escribiendo directamente en los registros de los seis puertos A-F del ATmega. Utilizar el espacio E/S de la memoria externa del ATmega103. La certeza de que este espacio está libre permite su utilización para la comunicación, utilizando recursos ya existentes, i.e., los buses de comunicación interna del ATmega. En cada módulo personalizado se asignan nuevas direcciones a tantos registros como sea necesario. La versatilidad y velocidad de este método lo hacen preferible al anterior, aunque requiere una modificación compleja del microcontrolador. 4. Implementación 4.1. Integración IDE Arduino-ModelSim Al sintetizar o simular un programa escrito en el entorno de desarrollo de Arduino, será necesario escribir en la memoria del sistema el código generado por el compilador, para que el procesador pueda ejecutarlo una vez arrancado. Es importante conocer la forma en la que el core AVR8 ejecuta los programas y dónde residen. La memoria está descrita, al igual que el resto del integrado, en VHDL por lo que es posible modificarla y programarla previa y posteriormente. La programación previa consiste en especificar el valor de los bytes de memoria en el momento de instanciar el módulo de memoria en VHDL como se muestra en la Figura 4. Los módulos utilizados en este core son BRAM de 16x8k por lo que hay que tener en cuenta factores como el endianismo, la utilización de varios módulos, etc. La ventaja de este sistema es que es flexible en cuanto al número de módulos de memoria y permite optimizar el espacio en la FPGA. El otro método para programar el microcontrolador, representado en la Figura 5, comienza una vez generado el bitstream sin programa en la memoria del microcontrolador. La posición exacta de los módulos

6 de memoria viene descrita en los ficheros bmm generados por la herramienta de síntesis (ISE Webpack, en este caso). Con estos datos y la apropiada conversión de los programas compilados, se reemplaza un rango de bytes por otros. La ventaja de este sistema es que no requiere volver a sintetizar todo el diseño y es relativamente rápido. Puesto que el cometido del proyecto no es simplemente desarrollar un microcontrolador, sino dotarle de periféricos escritos en HDL y poder simularlo y depurarlo previamente a la síntesis, la opción escogida es la de generar el programa antes de la síntesis ya que los módulos utilizados van a variar dependiendo del proyecto y esto supone distintas síntesis. Una vez depurada la arquitectura del microcontrolador, será posible utilizar la segunda técnica para cargar programas Arduino rápidamente en la Papilio. La primera acción es crear una nueva placa o plataforma en el entorno de desarrollo de Arduino, llamada Papilio Platform ModelSim Debug (depuración con ModelSim de Papilio Platform ). La selección de esta plataforma implica que al pulsar Upload dentro del entorno se haga una llamada al Makefile con unos argumentos determinados. Es el Makefile, por tanto, el que va a compilar el programa, convertirlo en su correspondiente formato y generar los bloques de memoria necesarios en VHDL. Una vez generado el fichero VHDL, se incluye en la carpeta del proyecto AVR8 de tal forma que quede preparado para su síntesis o simulación. Figura 4. Programación previa del microcontrolador Figura 5. Programación posterior del microcontrolador 4.2. Simulación Al hacer clic en el botón Upload del entorno Arduino, el desarrollador ya tiene preparado el proyecto para su compilación, depuración y simulación en ModelSim. Al haber insertado los bytes de programa en las correspondientes memorias, el core ejecuta el programa instrucción por instrucción y es posible representar tanto las señales de entrada y salida como las internas Optimización/Aceleración La arquitectura utilizada se compone de los siguientes bloques:

7 Core del microcontrolador programado con el IDE de Arduino que actúa como maestro para el resto de módulos HDL. Módulos HDL que aceleren ciertas tareas para quitar carga de trabajo al core. Comunicación entre maestro y esclavos. 5. Resultados Para facilitar aún más el desarrollo utilizando la metodología propuesta se han desarrollado las siguientes herramientas: Una aplicación que permita configurar los distintos módulos HDL y su relación con el microcontrolador (Oruga, Figura 7). Esta herramienta funciona en cualquier navegador. Un número de librerías para su uso desde Sketches que simplifiquen la comunicación con los módulos HDL. Un script que prepare el programa compilado desde Arduino en la memoria del core. Figura 6. Herramienta Oruga Se han desarrollado los siguientes módulos que han sido conectados al procesador y depurados siguiendo la metodología propuesta. Estos módulos son funciones normalmente llevadas a cabo en el microcontrolador y cuya funcionalidad o bien es limitada o consume recursos. En concreto se trata de: Generador de PWM. Se configura estableciendo un ciclo de trabajo. Generador de PWM avanzado. Permite configurar el ciclo de trabajo y la frecuencia. Generador de PPM. Se configura la posición y el ancho del pulso. Lector de PPM. Proporciona el valor modulado en el pin seleccionado. Lector de PPM configurable. Proporciona un valor filtrado con un factor de filtrado personalizable. Figura 7.

8 Se han generado librerías que permiten utilizar estos módulos de forma transparente desde el entorno Arduino. Para ello se utilizan las siguientes llamadas desde el lenguaje Arduino/Wiring: void setpwm(pin, value[, freq]); void setppm(pin, value, pwidth); int readppm(pin[, filtcoef]); Con estas tres funciones se manejan los cinco módulos preparados, utilizando o no los argumentos opcionales. En la Figura 9 se muestra una captura del entorno de desarrollo Arduino compilando un Sketch, fusionándolo con el microcontrolador sintetizado y subiéndolo a la FPGA de la Papilio. Figura 8. Entorno Arduino programando la FPGA 6. Conclusión Se ha presentado un método y desarrollado unas herramientas para crear proyectos hardware-software utilizando software libre o gratuito. Es el camino más sencillo para que un usuario avanzado de Arduino con interés en utilizar FPGAs pueda hacerlo en proyectos con un coste muy bajo y sin atadura a fabricantes concretos. Referencias Figura 9. [1] Adafruit. (2011, Marzo) [Online].

9 [2] Arduino. (2011, Marzo) [Online]. [3] [4] G. De Micheli and R. K. Gupta, "Hardware/software co-design," in Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 3, pp , Gadget Factory. (2010, Diciembre) [Online]. [5] H. J. De Man, B. Lin, K. Van Rompaey, S. Vercauteren, and I. Bolsens, "Hardware/software co-design of digital telecommunication," in Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 3, pp