FPGAトレーニングコース2014@名古屋大学

開催趣旨

本セミナーは、FPGA回路開発時に必須である開発ツールの使い方を、実際にFPGAを使いながら習得することを目的とした、実習形式の未経験者向けセミナーです。セミナー終了後に独学で開発を進められるようになることを目指します。

受講対象者として、FPGA回路開発未経験の電気電子工学を専門としない学生を想定しています。特に物理実験系に所属する学生を受講対象としていますが、他の分野の学生や若手研究者・技術者の参加も歓迎いたします。

FPGAの回路を開発するために必要な知識は、①デジタル回路設計に関する知識と②FPGAへの実装方法です。 ①に関しては書籍などにより習得する事が出来ますが、②に関しては良い習得方法がありません。そこで本セミナーでは②について学習します。

本セミナー受講後は自分で設計した回路をFPGAに実装して動かすことができるので、①の学習効果が向上する事も期待しています。

実習で使用するFPGAはXilinx社Spartan3ANシリーズ、使用HDLはVerilog-HDLです。

FPGAとは？

Field Prgrammable Gate Arrays (FPGA)はユーザーがプログラム可能な論理（デジタル）集積回路です。

近年、放射線検出器の読みだしシステムなどの物理実験で多用されています。一つのFPGAに搭載できる回路規模は非常に大きくなっておりユーザーが希望する信号処理の多くを1チップに搭載できるようになりました。例えば、CPUを組み込みLinux OSシステムを動作させる事ができる程の回路規模を1チップに実装する事ができます。

概要

対象：FPGAに興味のある大学院生, 研究員, 教員, 技術職員
日程：2014年8月21日(木), 22日(金) (2日間)
場所：名古屋大学東山キャンパス理学部C館 C207室
名古屋大学へのアクセス, 東山キャンパスマップ (会場はD2⑪になります)
募集人数：20人
- 応募多数の場合は、学内応募者の優先や地域性を考慮して人数調整を行うことがあります。
- 学外応募者で旅費の援助を希望する方は、申請ページのコメント欄に「旅費援助希望」と記入してください。
使用言語：日本語
- English translation can be available for international students on best-effort basis. Please contact to the e-mail address shown below for details.
受講料：無料
申し込み受付期間： 2014年7月28日(月) - 8月11日(月) 17:00
主催：名古屋大学博士課程教育リーディングプログラム「フロンティア宇宙開拓リーダー養成プログラム」
後援： Open-It, 科学研究費補助金基盤研究(S) 「タウレプトンをプローブとする新物理探索」
世話人：鈴木一仁(名古屋大学)＊お問い合わせはkazuhito@hepl.phys.nagoya-u.ac.jpまでお願いします。

申し込み方法：申し込みはこちらから（受付終了）
- 8月1日 16:00 - 8月4日 9:00の間はサーバーが停止されますので、申し込みができません。ご注意ください。

【注意】開発ツールはXilinx社ISE 14.7 WebPACKについてのみ解説します。

詳細

講師：内田智久(KEK), 佐々井義矩(名古屋大学)
予備知識：下のテキストの内容を受講前に理解しておくこと
- 予習用資料(PDF)
実習で使用するFPGAはXilinx社Spartan3ANシリーズ、使用HDLはVerilog-HDL、開発ツールはXilinx社ISE 14.7 WebPACKです。
各自用意する物：
- Windows XP以降のWindows OSが動作しているノートPC
  - Xilinx社奨励環境についてはこちらをご覧ください。
  - Windows 8では部分的に正常に動作しないことがあるので可能であれば避けてください。使用する場合は対処方法に関するこちらの資料を事前にダウンロードして持参してください。
  - Macを使用している方へ：以下の環境での動作は確認されていますが他の環境での動作確認は取れていませんので注意してください。
    - デュアルブートでWindowsインストールした環境
    - 仮想環境VMware Fusionを用いてWindowsをインストールした環境
- 演習時に使用する筆記具とノート
- こちらの参考資料とこちらのVerilog-HDLについての資料を印刷して持参してください。
  - 忘れても受講できますが、持っていないと実習時のコード入力時に画面を切り替えながら入力しなければならず大変です。

【お願い】事前に開発ツールXilinx ISEをインストールしていただきます。インストール方法はこの資料を参照して下さい。

プログラム（updated at 10:10 on 08/12/2014）

1日目はデジタル回路の特徴からはじめ、組み合わせ回路について学びます。最後にFPGAに実装して動作を確認します。

2日目は順序回路とFPGAの動作原理について学びます。最後に実習で作成した全ての回路をFPGAに実装して動作を確認します。

1日目 8/21(木) 9:30-18:00
- 9:30- 9:40 全体概要
- 9:40-10:00 デジタル回路の基礎（20分）
- 10:00-11:00 DAQシステムとデジタル技術（60分）
- 11:00-11:30 【組み合わせ回路】入門（30分）
- 11:30-12:30 お昼休み（60分）
- 12:30-13:30 【組み合わせ回路】設計演習（60分）
- 13:30-14:00 【組み合わせ回路】問題解説（30分）
- 14:00-14:15 休憩(15分)
- 14:15-15:15 【組み合わせ回路】 Verilog-HDL記述（60分）
- 15:15-15:30 休憩（15分）
- 15:30-16:30 【組み合わせ回路】 Xilinx社ISIMを用いた論理シミュレーション（60分）
- 16:30-18:00 【組み合わせ回路】 Xilinx社ISE14を用いたFPGAへの実装（90分）
2日目 8/22(金) 9:30-18:15
- 9:30-10:00 【順序回路】入門（30分）
- 10:00-11:00 【順序回路】設計演習（60分）
- 11:00-11:30 【順序回路】問題解説（30分）
- 11:30-12:30 お昼休み(60分)
- 12:30-13:30 【順序回路】 Verilog-HDL記述（60分）
- 13:30-14:00 【順序回路】 Xilinx社ISIMを用いた論理シミュレーション（30分）
- 14:00-14:30 【順序回路】 Xilinx社ISE14を用いたFPGAへの実装（30分）
- 14:30-14:45 休憩(15分)
- 14:45-15:45 DCMの実装方法: Coregeneratorの使い方（60分）
- 15:45-16:15 新型太陽中性子望遠鏡 (SciCRT) のための高速読み出し回路の開発（30分）
- 16:15-17:15 総合演習（60分）
- 17:15-17:45 FPGAの構造（30分）
- 17:45-18:15 質疑応答、議論など（30分）

テキスト

閲覧するためには受講者用ID/パスワード入力が必要です(別途ご連絡いたします)。

パスワードの有効期限は受講後約２週間に設定されています。ファイルのダウンロードは受講後速やかに終わらせるようお願いします。

資料の２次配布は禁止させていただきます。

アンケート

受講者の方々は下からアンケートにご協力ください。

アンケート入り口（ID/パスワード入力が必要です）

トレーニングコースは今後も継続する予定です。より良いものにするために是非お願いいたします。

アンケート結果（回答者数12名/参加者数18名）

Q1. 講義全体の満足度（4択：不満足 0人、普通 0人、満足 6人、大変満足 6人）

Q2. 説明は分かり易かったですか？（4択：とても分かり難い 0人、分かり難い 1人、分かり易い 4人、とても分かり易い 7人）

Q3. 質問（自由欄）

【質問】h8 や PIC などのマイコンに対する FPGA の優位性が具体的、定量的に知りたい。

【回答】とても難しい質問です。この質問に答えるためにはソフトウエア処理の定量的な評価が必要ですが一般にソフトウエア処理動作は複雑なためにシンプルな数式などで表すことが難しいです。OSなどが動いていなければシミュレーションにより評価する事ができますが実際に使用する処理内容をシミュレーションする事はとても難しいです。次の書籍が参考になるとおもいますので興味があれば読んでください。John L. Hennessy and David A. Patterson, "Computer Architecture: A Quantitative Approach".

【質問】Plan Aheadを何度か立ち上げると作業ホルダ内に複数のplamAhead_run_*というホルダが出来ていることに後で気付きました。これらは放置しておいても良いのでしょうか？

【回答】問題ありません。Plan Aheadは様々な設定を行うことができる多機能ツールです。設定時に必要な情報をフォルダの中に格納しているようです。テキストエディタで直接UCFファイルを編集した後にもフォルダが作られることがあります。詳細はPlan ahead user guideなどを参照してください。

Q4. 後輩に勧めたいと思いますか？（4択：まったく思わない 0人、思わない 0人、思う 5人、とても思う 7人）

Q5. 興味を持ったこと:（自由欄）

FPGAの演習はもとより、デジタル回路の演習も興味が持てました。少しパターンを知っておくと、いろいろ役に立ちそうです。
今回、FPGAの動かし方について殆ど知識のない状態で参加させていただいたのですが、ツールの使い方を一から詳しく学ばせていただけたことにより、ある程度のレベルでのISEを使った自習ができるようになれたと感じています。これを足がかりとし、自主的に触って学ぶことができるという意味での、FPGAへの興味を強くしました。
FPGAは奥が深いなと思いました。特にクロックについてはいろいろな作り方や応用があったりでもっと勉強して幅広いことができるようになりたいなと思いました。
FPGA を使った検出器や実験装置の開発。
今後、研究でFPGAを使っていくため本講習会に参加しました。これまではデジタル回路やFPGAには関わりがなかったため、難しく感じましたが、デジタル回路の組み方はパズルのようで楽しかったです。これからFPGAを買って遊び尽くしたいです。
佐々井さんの中性子望遠鏡の話は大変興味深かったです。MAPMTが使われているようでしたし。私自身も実験で放射線計測を行っておりマルチチャンネルの信号処理のためにFPGAの必要性を感じていたからです。

Q6. 本トレーニングコースに参加した経緯を教えてください（自由欄）

hecforumのメールで知った。
PF-UAのメーリングリストで、知りました。
CRC(宇宙線研究者会議)のメーリングリスト
ハードウェアについて詳しく学びたいと思案していたところ、担当教員の伊代野教授より今回のセミナーに関するメール案内があったと知らされ参加させていただきました。
先輩に勧められました。
tennetメーリングリストで知りました。
同僚より教えられた。
中性子研究グループ(nop)のメーリングリストから

Q7. 本トレーニングコースに対するご意見?ご要望等（自由欄）

今後自分で勉強する上でFPGAの「雰囲気」を体感できることを期待して参加しましたが、期待をはるかに超える成果を得られたと感じております。そもそもデジタル回路に縁がなかったため、デジタル回路処理を体験できたこともまた良い点だったと思います。
数年前より興味はあったのですが、敷居が高く断念していましたが、おかげさまで始めの敷居を、歩いてまたげた感じです。大変ありがとうございました。
一から回路設計の知識、また開発ツールの使い方を指導していただけたことにより、FPGAボードを使ったことの無い私でも、今後学んでいくための種を持ち帰ることができ、大変有意義な内容でした。
ありがとうございます。その中で、講義中に参照していた手元資料を用意していただけたことは、PPT資料を追えなかった際に確認すること、そしてメモを資料中に書き込むことでよりスムーズに学ぶことができたと感じています。また各人で印刷する際の手間と、持参する際の荷物の量を減らすことができたので、その分参考書を用意して、宿泊先のホテルで確認するといった余裕をもつことができました。
印刷物は各人で用意するため事前にIDをパスワードを報せていただける場合でしたら、詳しい講義内容を確認した上で参加できるので、そちらも良いとは感じました。

プログラミングを全くやったことない人は、スピードについていくのがつらいかなと思いました
初めに output の変数は wire で書いても書かなくても同じと言っていたので、wire でも LED を書いてそのままにしていた。だが、implementation をしたときにその記述がエラーの原因になり、そのせいで一瞬授業のスピードについていけなくなり非常に焦った。output は wire で宣言させるべきではない。
FPGAの性能を見れる課題があると良かった。
このトレーニングコースの内容についてはとても良かったと思います。ただ、開催期間が夏休みなので、飛行機や宿の値段が高かったり、予約がとれなかったりします。そのため出来ればもう少し早くこのトレーニングコースの周知と受講者の決定をして欲しかったです。また、こちらの都合ですが、普段はMacを使用しているため、Windowsの準備に時間がかかりました。もし周りにWindowsがない場合の対応などありますでしょうか。
Q4の質問ですが、もしFPGAに興味がある後輩がいたら、まずは自分が今回の内容を説明してみます。それでも足りないという場合はこのトレーニングコースを勧めます。どうでもいいことですが、このアンケートの質問に英語表記があったりなかったりしています。どちらかに統一してはどうでしょうか。
2日間とても有意義な時間を過ごすことができました。ありがとうございました。
必要知識にFFがあったが予習資料に記載がないため、追加したほうがいいかもしれない。あと、ロジックICやCPLD、マイコンとの違い、住み分けの話があるとなおよいと思う。（演習で使うFPGAだとロジックIC何個分とか）(ASICよりもかかわる人が多いと思われるため。)
FPGAとの通信でEthernet,USB、PCI－ExpessはあったがUART（RS232、RS485など）もまだ現役かつ取り扱いやすいので説明にあったほうがいいと思う。
とてもよい経験になりました。是非とも続けてください。
基本的な事から講義を行っていただき、私のような初心者にはこれ以上無い最高の講義でした。印刷された資料を頂けたのも理解を高めるうえで大変有用でした。なにより、私のような企業研究者にも門戸を開いていただけた事に大変感謝しております。