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Efinix社のRISC-V IPコア Sapphire SoCの概要


1万円 FPGAスタータキットで作る RISC-V CPU


［Webinar/KIT/data］新人技術者のためのRISC-V CPU設計 初めの一歩（5月31日～6月7日，2日コース）


Sapphire SoCの構成と柔軟性

図1　Sapphire SoCは，RISC-Vアーキテクチャをベースとした32ビットCPUコアと多様な周辺機能を組み合わせたIPコア．VexRiscvをコアに据え，パイプライン処理や割込み対応，例外処理などを網羅．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．参考:［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門

Efinix社が提供するSapphire SoCは，RISC-Vアーキテクチャをベースとした32ビットCPUコアと多様な周辺機能を組み合わせたIPコアです．このSoCはVexRiscvをコアに据え，パイプライン処理や割込み対応，例外処理など基本的な機能を網羅しています．特に，ユーザ側で構成を自由に設定できる点が特徴です．内部メモリは最大512KB，外部メモリコントローラとしてDDR3やLPDDR4x，HyperRAMに対応しており，幅広い用途に対応できます．

周辺機能も充実しており，UARTやSPI，GPIO，I$^$2Cなど最大3個のポートを搭載可能です．ユーザ・ロジックとの接続にはAXIインターフェースを用い，最大512ビット幅に対応しています．この構成により，高速なデータ処理と外部接続を両立できる環境が整っています．

開発フローと1万円FPGAスタータキットの実現性

Sapphire SoCは，Efinix社の統合開発環境Efinityと連携して開発を進めます．IP EditorでSoC構成を定義し，Interface Designerで外部ポートやPLLなどを設計した後，論理合成や配置配線，ビット・ストリームの生成を行います．最後にProgrammerでFPGAボードに書き込みます．

ソフトウェア開発はEfinity Embedded Software IDEを使い，命令メモリ（SRAM）への書き込みやデバッグも行えます．このような構成により，市販の安価なTrion FPGA評価ボードを用いても，本格的なRISC-V SoCを動作させることができます．1万円前後のスタータキットを使って，独自のRISC-Vマイコン環境を構築することが可能です．

AXIインターフェースの基本構成

Sapphire SoCは，外部メモリやユーザ・ロジックとのデータ転送にARM社のAXI（Advanced eXtensible Interface）を使用しています．AXIは高性能なバス仕様で，複数のマスタとスレーブ間での同時アクセスを効率的に処理できます．

Sapphire SoCでは，以下の構成が可能です．

  1. 外部メモリ用のAXI3（半二重）またはAXI4（全二重）バス
  2. ユーザ・ロジック用のAXIマスタ・チャネル（最大2系統）
  3. ユーザ・ロジック用のAXIスレーブ・チャネル（1系統）
この構成により，柔軟なデータ・フロー設計と高速化が可能になります．

ユーザ設計との統合性

Sapphire SoCのAXIマスタ・チャネルは，データ幅を32～512ビットで設定可能です．これにより，画像処理や高速信号処理など，大量のデータ転送が必要なアプリケーションにも対応できます．一方でスレーブ・チャネルを用いることで，ユーザ設計側からSoC内のリソースへアクセスする機構も実現できます．

このようにAXIインターフェースは，Sapphire SoCとユーザ・ロジックの橋渡し役として極めて重要な役割を果たしています．

Sapphire SoCのAXIインターフェースは，外部メモリとの高速通信とユーザ設計との柔軟な接続を実現する鍵です．最大512ビット幅のバス設計により，高スループットを必要とする応用にも適応できる構成です．

〈著:ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 出身地：京都市左京区
  • 仕事：1986年，日立製作所に入社し，SHマイコンの開発に従事．以降，ルネサステクノロジ，ベンチャー企業，大手半導体メーカにて，画像処理用SoCや各種マイコンおよび関連半導体デバイスの開発を統括．現在もマイコン製品設計に取り組んでいる．
  • 趣味：1978年からマイコン・FPGA・GPUと戯れ
  • 執筆活動：2000年からマイコンを絡めた雑誌記事と書籍を執筆

著書

  1. ［VOD/KIT］実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ARMベース・システムLSI開発の事例研究，Design Wave Magazine 2006年5月号，CQ出版社．
  3. ARM汎用プロセッサで使える汎用JTAGデバッガを自作する，Design Wave Magazine 2008年6月号，CQ出版社．
  4. 並列処理プロセッサxCORE徹底研究，インターフェース 2014年11月号～2015年6月号（連載),CQ出版社．
  5. Cで直叩き！超並列コンピュータGPU全速力，トランジスタ技術　2019年9月号（特集），CQ出版社．ほか
  6. 今すぐ使えるH8マイコン基板　初版2010年，増補版2011年，CQ出版社．
  7. 2枚入り小型ARMマイコン基板　2011年，CQ出版社.
  8. ARM PSoCで作るMyスペシャル・マイコン　基板付き　2013年，CQ出版社．
  9. ARM PSoCで作るMyスペシャル・マイコン　開発編　　2013年，CQ出版社．
  10. SHマイコン活用記事全集　2014年，CQ出版社．
  11. FPGA電子工作スーパキット　2016年，CQ出版社．
  12. MAX10実験キットで学ぶFPGA＆コンピュータ　2016年，CQ出版社．
  13. 完全版FPGA電子工作オールインワン・キット　2016年，CQ出版社．

参考文献

  1. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［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．
  4. ［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．
  5. ［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．
  6. ［VOD］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング
  7. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．