D. PETROVIĆ

1. septembar 2023.

Najavljen pre nekoliko meseci, Tang Nano 20K stigao je i do stranica SK Labsa. Rekli bismo u rekordnom roku, ako uzmemo u obzir su se pre ove FPGA pločice, na ovim stranicama našla starija braća. Poslednji u liniji Tang Nano pločica donosi velike iskorake, ali osnovna forma je zadržana. Kao i prethodnici, i 20K dolazi u plastičnoj kutiji sa pripadajućim nezalemljenim redovima pinova i USB-C kablom. Postoje, za sada, tri verzije ove pločice, a naša je poslednja - v3921.

Tang Nano 20K, što se tiče Nano pločica, na sebi nosi do sada najmoćniji Gowin FPGA čip sa oznakom GW2AR-18. Čak 20736 LUT4 logičkih kola govori samo za sebe, ali i o 20K oznaci Tanga. Oscilator od 27 megaherca se podrazumeva. Nisu samo LUT4 logička kola uvećana, flip-flop registri su i više nego duplirani u odnosu na 9K, tako da ih ima čak 15552. Memorijski kapaciteti takođe su ozbiljno uvećani, pa nam je tako na raspolaganju čak 41472 bita Shadow SRAM-a (SSRAM), što je čak tri puta više u odnosu na Devetku. Čak 46 blokova BSRAM-a sadrži ukupno 828 kilobita memorije, što znači da svaki blok BSRAM-a sadrži po 18 kilobita memorije. Dok smo kod memorije, tu je i 64 megabita 32-bitnog SDRAM-a, kao i 64 megabita PSRAM-a. Kao i kod Devetke, i ovde je Sipeed iskoristio QSPI interfejs da doda još 64 megabita fleš memorije, koju, ovaj put, potpisuje Winbond.

FPGA na Tangu 20K dolazi sa dva PLL (phase-locked loop). Ovi PLL podržavaju globalni radni takt, kao i fazna i frekvencijska podešavanja (množenje i deljenje). PLL blokovi omogućavaju sintetisanje frekvencije radnog takta samog FPGA, gde unutrašnji oscilator podržava frekvencije od 2,5 pa sve do 125 megaherca. Blokovi digitalnih procesori signala (DSP) sadrže čak 48 množitelja 18×18 i postavljeni su u red u FPGA nizu. DSP blokovi, osim operacije množenja, mogu da rade u i operacijama akumulacije i MULTADDALU. Kao eksterni PLL generator takta, tu je i iMC5351 koji pruža tri dodatna radna takta za FPGA.

FPGA fizičke logičke izvode okuplja u osam BANK-ova, svaka grupa sa nezavisnim IO izvorom napona, gde on može biti 3,3, 2,5, 1,8, 1,5 ili 1,2 volta. Jezgro ovog FPGA čipa, zapravo, sačinjava niz logičkih jedinica okruženih IO blokovima. Centralna ćelija niza je konfiguracijska funkciona jedinica (CFU) i može se postaviti kao LUT4, ALU mode ili memory mode. Od dostupnih 66 IO izvoda, na Tangu je dostupno osetno manje, iz razumljivih razloga. Dva bočna niza redova izvoda donose 34 izvoda FPGA čipa, uz dodatna dva van ovih nizova na koje može da se poveže zvučnik. Prema tehničkoj dokumentaciji se jasno vidi koji BANK, to jest, koja grupa izvoda koristi koju naponsku logiku, i pri razvoju projekta dijagram treba imati pri ruci. Dok smo kod zvučnika, Tang je za zvuk uposlio MAX98357 DAC + audio PA. Zanimljivo je da je Sipeed i ovde koristio mnoge izvode FPGA i za periferiju i za nizove izvoda, to jest, u zavisnosti od projekta, neki naprosto neće biti dostupni na dva mesta odjednom.

Na Dvadesetici Sipeed je vratio mikrokontroler, ovaj put BL616C Bufalo Labsa. Ovo 32-bitno RISC V jezgro kuca na maksimalno 320 megaherca, uz nešto memorije, 480 kilobajta SRAM-a i 128 kilobajta ROM-a. Iako ovaj komad silicijuma dolazi sa podrškom za Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 i Zigbee, kao i gomilom podržanih interfejsa, ovde je upotrebljen kao UART most između računara i FPGA, i kao prateći mikrokontroler. Drugim rečima, od celokupnih mogućnosti ovog MCU-a, zadržana je samo sirova snaga, koja nije zanemarljiva. Dodaćemo da Sipeed u ponudi ima malecki modul sa ovim čipom, koji dolazi sa antenom za Wi-Fi i Bluetooth, i koji se može koristiti samostalno ili kao deo većeg sistema. U planu je da i on poseti ove stranice.

Iako osetno jači od Devetke, Dvadesetica je osetno manja. Tome je doprinelo i spuštanje većeg broja komponenata na donju stranu štampane pločice. Tek, 20K je manja i od 1K. To nije smetalo da 20K zadrži pun HDMI konektor, slot mikro-SD kartice sa donje strane i FPC konektor LCD ekrana. Za upravljanje pozadinskim osvetljenjem, na ovom Tangu je zadužen LP3320 naponski regulator. Kada se pogleda sa svih strana, pločica je bukvalno prenatrpana komponentama.

I 20K dolazi sa dva korisnička tastera na pinovima 87 i 88 koji se mogu koristiti u razne svrhe. Ovaj put, pored ova dva korisnička, tu je i treći, ’Update’, namenjen za prebacivanje BL616C mikrokontrolera u Boot režim. Eventualna nadogradnja firmvera obavlja se preko USB-C konektora. Preko ovog konektora ujedno napajamo pločicu i programiramo sam FPGA, jer BL616C služi i kao UART most. Četiri izložena bakarna polja na PCB zapravo su JTAG, povezan i sa FPGA i sa MCU, gde, koliko smo uspeli da vidimo, razliku u pristupu komadu silicijuma pravi taster ’Update’. Ovde treba dodati da se nenametljivo u kraju nalaze još dva slična polja, GND i RECONFIG sa FPGA čipa. Uzmite ovu našu tvrdnju sa zrnom soli, jer Sipeed JTAG dovodi u vezu samo sa FPGA, ali šema kaže drugačije. Na ovom Tangu imamo čak šest LED na pinovima IO15-20, koje svetle sa LOW logičkim stanjem i zadržani su sa Devetke. U odnosu na Devetku, Tang 20K donosi i jedan Neopixel WS2812B na pinu IO79.

Prilikom prvog povezivanja sa računarom, drajveri će se automatski instalirati, ako već nisu. Preinstaliran firmver na Dvadesetici se zove LiteX. Prema rečima autora, LiteX je Linuks frejmvork koji pruža zgodnu i efikasnu infrastrukturu za kreiranje FPGA jezgara i/ili SoC-a, za istraživanje različitih arhitektura digitalnog dizajna i kreiranje kompletnih sistema zasnovanih na FPGA. Nakon povezivanja sa računarom, Tang će se prijaviti pod COM portom kome možemo pristupiti nekim alatom, kao što je PuTTY, uz podešenu vrednost bauda na 115200. Pritiskom na taster ’Tab’ će se izlistati komande koje se mogu koristiti, kao što su leds, buttons, mem_speed, mem_test i drugo. Pod Help se izlistava koju vrednost koja komanda očekuje. Pa, tako, ako kucamo leds 62, upaliće se samo jedna LED. Sve ove komande se izvršavaju na samom FPGA.

Na Tangu 20K se nalazi i mikrokontroler kome se može pristupiti na ovaj način. U istom terminalu držimo pritisnut taster ’Ctrl’, zatim pritiskamo ’X’, a zatim ’C’. Pritiskom na ’Enter’ proveravamo terminal, dok se sa ’Tab’ tasterom izlistavaju shell komande kojih nema mnogo, ali su jako bitne. Komandom pll_clk pristupamo eksternom generatoru radnog takta MS5351 kojim i upravlja MCU, i možemo mu zadati neke od vrednosti na pinovima takta CLK0, 1 i 2. Ovi su povezani na sistemske pinove FPGA IO10, 11, i 13. Recimo, komandom pll_clk O1=50M postavljamo takt na CLK1 od 50 megaherca, sa pll_clk O1 isključujemo CLK1 izlaz. Ako smo zadovoljni sa postavljenim taktom na ovom CLK1 izlazu, postavke možemo snimiti sa pll_clk -s ili direktno pll_clk O1=50M -s. Na slici, ako možete da vidite, u terminalu jasno stoji da je CLK1 EN(abled) sa radnim taktom 50000000, dok su CLK0 i CLK2 DIS(abled) sa radnim taktovima 27000000, što je ujedno i radni takt gorepomenutog oscilatora. Kasnije se vidi i da je CLK1 isključen. Wiki stranice Sipeeda su odlično dokumentovane, uz čak dobro opisan primer gradnje retro konzole sa Tang Nano 20K pločicom. Sipeed u ponudi ima čak i namenske adapter-pločice za originalne NES upravljače.

Naravno, Tang se može programirati kao i svi prethodnici. Koristimo, sada već prilično poznat, GOWIN FPGA Designer alat. Kao i do sada, počinjemo tako što otvaramo nov projekat pod File, te biramo odgovarajući čip. Oznaka FPGA se čita sa samog čipa, u ovom slučaju GW2AR-LV18QN88C8/17. GW2AR-18 je, zapravo, oznaka samog čipa, LV18 je Low Voltage, 18 se odnosi na 20736 LUT-a, QN88 se odnosi na QFN88 pakovanje, C je za Commercial, dok se 8/17 odnosi na brzinu (6 - 9, 9 je najbrže). U tabu Design se ovi parametri mogu ispraviti ukoliko smo pogrešili. Otvaramo nov Verilog fajl i krećemo sa programiranjem. Spuštanje korisničkog FPGA programa se kod Dvadesetice odvija preko BL616C mikrokontrolera, a kao i kod prethodnika, može da se bira lokacija. Kod ove pločice to su SRAM i fleš, a u zavisnosti od toga da li želimo da testiramo program ili želimo da zatvorimo projekat, biramo odgovarajuću memoriju.

GitHub stranice sadrže veći broj primera za Tang Nano 20K. Tu su primeri za upošljavanje DAC čipa i zvučnika, zatim, primer za testove HDMI ekrana u rezoluciji 1280×720 tačaka, LiteX firmver, primer za rad sa 800×480 ekranom, zatim uart, ws2812, nestang i linux. Za one koji već vide Super Maria na Tang Nano 20K, pravac GitHub uz ključne reči nand2mario. Uz par igračkih upravljača, par namenskih adaptera, HDMI ekrana, zvučnika i ovog Tanga, eto zabave za celu porodicu. Dobro, samo za vas.

Tang Nano 20K je ogroman iskorak u odnosu na Devetku. Nažalost, i cenovno. Možemo slobodno reći da se razlike između Tang Nano ploča mogu predstaviti sinusoidom u svakom smislu. 20K ima neverovatne mogućnosti i iako primera na mreži nema baš mnogo, ono što ima su pravi projekti, upotrebljivi komadi softvera. Uzmite u obzir i svoje mogućnosti, vrlo verovatno početnici neće biti u stanju da isprave niti jednu liniju Verilog kôda, te je stoga bolje naprosto samo spustiti već pripremljen FS fajl na FPGA. Od nas za Dvadeseticu sve preporuke.

Ovim završavamo seriju Sipeed FPGA pločica, ali sa FPGA nastavljamo dalje. A biće i CPLD, nismo na ove ploče zaboravili. Što se tiče Sipeeda, biće razvojnih pločica ovog sjajnog proizvođača i ubuduće, ali u jednom drugačijem i, nadamo se, ništa manje zanimljivom formatu. Do tada, do čitanja.

GALERIJA