M5StackにGOWINのFPGAをつないでみた話

1. M5StackにFPGAをつないでみた
M5Stack User Meeting vol.7
2020/02/04
Kenta IDA (@ciniml)

2. 自己紹介
•井田 健太 (@ciniml)
•仕事：FPGAの論理設計とか
•M5StackのTPUカバーとか作ってます
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 2

3. FPGAとは
•ロジックICがいっぱい集まったようなもの
•内部のロジックの接続をプログラム可能
•私の考えたさいきょうのデジタル回路が作れる(かも？)
• 実際はそんなにうまくいかないけど
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 3

4. みんな大好き！Sipeed
•MAiXDuino等K210を使ったボードをいろいろ出してる
• K210: M5StickV, UnitVに使われてるチップ。強いやつ。
•実はFPGAボードも出している。
• Tang PRiMER
• Tang Nano
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 4

5. Tang Nano
•とてもお安いFPGAボード
• Seeedで$4.9、Shigezoneで800円
•中国GOWIN社のFPGA GW1N-LV1を使用
• LUT4: 1152, FF: 864, SRAM: 72kbit
• LUT4: 4入力4出力の組み合わせ論理回路が作れる素子
• FF: クロックに合わせて1bit記憶できる素子
• 同価格帯のFPGAとしては破格
•書き込み回路付き
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 5

6. Tang NanoをM5Stackにつなぐ (1)
•FPGA側にI2C Slave回路を作って入れる
•M5StackからI2C経由でレジスタが見えるようにする
• よくあるI2C接続のセンサーと同様
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
S
DEV
ADDRESS
RW
REG ADDRESS
(0)
LED OUT Value P
M5Stack
ESP32
I2C
Maste
r
Tang Nano
FPGA (GW1N-1)
I2C
Slave
LED
Contr
ol
I2C REG LED OUT
6

7. 無駄に複雑なLチカ (1)
•M5Stackのボタンを押すと
Tang NanoのLEDの
色が変わる
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
M5Stackのボタ
ン
Tang
Nano
カラーLED
7

8. Tang NanoをM5Stackにつなぐ (2)
•FPGA側にWS2812B制御回路を入れる
•M5StackからI2C経由で発光パターンを制御
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
M5Stack
ESP32
I2C
Maste
r
Tang Nano
FPGA (GW1N-1)
I2C
Slave
WS281
2
Control
I2C REG
LED
Signal
8

9. 無駄に複雑なLチカ (2)
•M5Stackのボタンを押すと
Tang Nanoにつないだ
カラーLEDのパターンが
変わる
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
M5Stackのボタ
ン
Tang
Nano
カラーLED
9

10. •ブレッドボードが辛くなったのでモジュールを作る
M5Stack用FPGAモジュール
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
FPGA 書き込み
回路
I/O
エクスパンダ
FPGA
入出力ヘッダ
10

11. •CoreとほかのBOTTOMの間に接続
FPGAモジュール使用時の構成
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
MBUS
MBUS
M5Stack
ESP32
I2C
Maste
r
FPGA Module
I2C
FPGA (GW1N-
4)
My
Aweso
me
Circuit
SPI
Maste
r
I2C I/O
Expand
er
CFG
SPI
Other Signals on MBUS
Bottom
ModuleMBU
S
CFG
Logi
c
11

12. •MBUS経由でM5StackとFPGAを接続
MBUSの接続 (コア)
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
MBUS
MBUS
M5Stack
ESP32
I2C
Maste
r
FPGA Module
I2C
FPGA (GW1N-
4)
My
Aweso
me
Circuit
SPI
Maste
r
I2C I/O
Expand
er
CFG
SPI
Other Signals on MBUS
Bottom
ModuleMBU
S
CFG
Logi
c
12

13. •Bottomモジュール側のMBUSはFPGAと接続
MBUSの接続 (ボトム)
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
MBUS
MBUS
M5Stack
ESP32
I2C
Maste
r
FPGA Module
I2C
FPGA (GW1N-
4)
My
Aweso
me
Circuit
SPI
Maste
r
I2C I/O
Expand
er
CFG
SPI
Other Signals on MBUS
Bottom
ModuleMBU
S
CFG
Logi
c
13

14. •MBUSのピン配置などFPGA内で変更可能
コアとボトムの信号接続
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
MBUS
MBUS
M5Stack
ESP32
I2C
Maste
r
FPGA Module
I2C
FPGA (GW1N-
4)
My
Aweso
me
Circuit
SPI
Maste
r
I2C I/O
Expand
er
CFG
SPI
Other Signals on MBUS
Bottom
ModuleMBU
S
CFG
Logi
c
14

15. FPGA内部回路の書き換え
•FPGAモジュール上の書き換え回路 (USB経由)
• PCからプログラム
• FPGA内部フラッシュに保存され、電源投入時に自動起動
•M5Stackから書き換え
• GOWIN FPGAのSlave SPIモードを使う
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 15

16. •MBUS経由でM5StackとFPGAを接続
M5StackからFPGAの書き換え
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた
MBUS
MBUS
M5Stack
ESP32
I2C
Maste
r
FPGA Module
I2C
FPGA (GW1N-
4)
My
Aweso
me
Circuit
SPI
Maste
r
I2C I/O
Expand
er
CFG
SPI
Other Signals on MBUS
Bottom
ModuleMBU
S
CFG
Logi
c
16

17. M5StackからFPGAの書き換えの利点
•M5Stackのプログラムに応じてFPGAの回路を変更可
能
• 例：
• WS2812Bを複数ライン制御したいので、WS2812B制御回路に変
更
• ボトムのUART信号をMBUSの別のピンに割り当てなおす
• UARTを使った通信モジュールでよくあるやつ
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 17

18. 実際のFPGAモジュール
•
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 18

19. 現在の状態
•M5StackからFPGAの書き換えができることを確認
• MicroPythonで実装
• TFカード読み出し→SPIでFPGA書き込み
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 19

20. 今後の予定
• オープンソースのツールを使ってFPGA内部回路を作成
• 現在はGOWINのツールを使用 (要ライセンス)
• オープンソース版ツールを作るプロジェクトあり
• https://github.com/pepijndevos/apicula
• Lチカできるところまでは確認
• オープンソースツールを使った簡易内部回路作成機能の実装
• M5Stackユーザー的には別にFPGAの内部回路設計したくない
• 使いたい機能ブロック組み合わせた回路を自動生成
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 20

21. 今後の予定
•回路のバグ修正
• 配線まちがったりしてた (よくある)
•モジュールを作って売りたい
• 現状、FPGAチップ自体の入手経路が無いのでどうにか…
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 21

22. 宣伝
•技術書典8 (Day1 う19) 出展
• https://techbookfest.org/event/tbf08/circle/57038
04133572608
• M5Stack + Rustネタの続きの予定だったが
M5Stack + FPGAネタに変更
•おとなり (Day1 う18)はM5Staffブースらしい
• ついにM5Stack島に…
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 22

23. おしまい
2020/2/4M5StackにFPGAをつないでみた 23