16ピンDIP FPGA用書き込み器
作る！私のDIPコンピュータ
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| DIP_FPGAライタは，USBブラスター機能をもち，FPGAの書き込みや電源供給が可能なデバイスであり，部品を組み立てることで使用することができる 〈著：圓山 宗智〉 |
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16ピンDIP FPGA用書き込み器の概要
本記事では16ピンDIPパッケージのFPGAに対応した書き込み器について解説します．この書き込み器は，DIP形状のFPGAボードにJTAGインターフェースを介してコンフィグレーションを行うための装置です．USB Type-Cコネクタを備え，PCと接続して制御信号と電源を供給します．PIC18F14K50マイコンを搭載し，USBブラスターと同様の機能を実現しています．マイコンには書き込み済みのファームウェアが搭載されているため，ユーザが追加でプログラミングする必要はありません．
本書き込み器は，電源供給機能も兼ね備えています．3.3Vの3端子レギュレータを内蔵しており，FPGAボードに安定した電源を提供します．回路設計では逆バイアス保護のための部品も配置しており，信頼性を確保しています．部品はすべて汎用のカーボン抵抗やセラミック・キャパシタ，標準的なLEDなどで構成されているため，入手性に優れています．
回路設計と部品構成
書き込み器の基板には，USB Type-Cのコネクタが1箇所実装されており，別途用意したDIP変換モジュールまたはUSBモジュールと切り替えて使用可能です．JTAG信号線のうち，TCK，TDO，TMS，TDIの4本をFPGAと接続し，電源ラインのVCC33とグラウンドも供給します．これによりFPGAのコンフィグレーションが可能です．
部品リストでは，抵抗類は270Ω，5.1kΩ，10kΩ，2.2kΩの各種が縦実装で配置されています．キャパシタは27pFや0.1μFのセラミック・キャパシタ，22μFの電解キャパシタを使用し，安定した動作をサポートします．LEDは3mm砲丸型の緑と黄の2色を用意し，動作状態の視認に役立ちますが一部は未実装でユーザの判断に委ねられています．
マイコンはMicrochip製のPIC18F14K50を採用し，USB通信とJTAG制御の橋渡しを担います．水晶振動子は12MHzで安定したクロックを供給し，通信速度の安定化を図っています．3端子レギュレータはL字型にピンを折り曲げて基板に実装し，スペース効率を高めています．
FPGAコンフィグレーションの手順
FPGAの書き込み作業は，まず書き込み器とFPGAボードをブレッドボード上で接続します．JTAGの4本の信号線と電源ラインを確実に結線した後，FPGAの上に磁石を置いてコンフィグレーションモードにします．これはDIPパッケージ特有の仕様で，磁石の位置によりFPGA内部のSRAMやフラッシュ・メモリへの書き込みが制御されます．
書き込みは2段階で行います．最初に合成結果の.sofファイルを用いてSRAMにコンフィグレーションし，エラーがないことを確認します．問題がなければ次に.pofファイルを用いてフラッシュ・メモリに書き込みます．もし.sofファイルでエラーが発生した場合は，信号線の配線ミスや磁石の置き方を再確認し，必要な修正を加えてから再度試みます．
- 書き込み器とFPGAボードをブレッドボード上で接続する
- 電源ライン（VCC33，グラウンド）とJTAG信号（TCK，TDO，TMS，TDI）を結線する
- FPGAの上に磁石を置いてコンフィグレーションモードにする
- .sofファイルでSRAMに書き込みを行いエラーを確認する
- エラーがなければ.pofファイルでフラッシュ・メモリに書き込む
- エラー時は配線や磁石の位置を見直し再試行する
参考文献
- ［VOD/KIT/data］新人技術者のためのRISC-V CPU設計 初めの一歩，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
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