FPGAソフトコアCPUにおける最適化を検証する：MAX 10 FPGAで学ぶFPGA開発入門（14）（1/7 ページ）
MAX10搭載開発ボード「MAX 10 NEEK」でソフトコアCPU「NIOS II」を利用する際、最適化しないことを推奨されるが、設定自体は施せる。では最適化すると速くなるのか？有償版も含めて検証する。
アルテラのFPGA「MAX 10」を用いた開発手法を紹介しているこの連載も、今回でいったんの終了となる。MAX 10 NEEKを手に入れてから、FPGAというよりはソフトコアCPUである「NIOS II」にターゲットがシフトした感もあるのだが、最終回も引き続きNIOS IIの性能をもうちょっと追いかけてみたいと思う。
以前にも触れたが、NIOS IIを使う場合には最適化を行わないよう指示されている。プログラム実行に問題の生じる可能性があるためとされているが、最適化しなければ性能が出ないのもまた当然である。そこで、ベンチマークプログラムを用意して最適化の効果を検証したい。
System Builderでの環境構築
まずはおなじみのSystem Builder（Photo01）でテンプレートを作る。今回は（あまり使う意味はないのだが）7セグメントLEDと10個のLED、プッシュボタン（とClock）を有効にした。プロジェクト名は「NEEK_Bench」としたので、CodeGenerate/MAX10/ の下に「NEEK_Bench」というフォルダが生成される。これを丸ごとQuartus IIのプロジェクトディレクトにコピーする。
次にQuartus II（15.0を利用）を起動して、“File” → “Open Project...”で“NEEK_Bench.qpf”を選択する。初期状態ではNEEK_Bench.vの中にはNEEK_Benchというモジュール定義が行われているだけなので、ここからqsysを動かして、コンポーネントを追加する。追加するのはプロセッサコア、JTAG UART、オンチップメモリ、LEDR、HEX0、HEX1、KEY、タイマーの8つだ。
| コンポーネント | 追加方法 |
|---|---|
| プロセッサコア | "Processors and Peripherals" → "Embedded Processors" → "NIOS II Processor"で追加。種別はNIOS II/eを指定 |
| JTAG UART | "Interface Protocols" → "Serial" → "JTAG UART" |
| オンチップメモリ | "Basic Functions" → "On Chip Memory" → "On-Chip Memory （RAM or ROM）"。メモリ容量は128KBとし、"Initialize memory content"のチェックを外しておく。またこれを追加後に、nios2_gen2_0のプロパティを開き、"Vectors"タブで"Reset Vector"と"Exception Vector"を共に"onchip_memory2_0.s1"に設定する。 |
| LEDR（LED×10） | "Processors and Peripherals" → "Peripherals" → "PIO（Parallel I/O）"でPIOを追加する。この際Widthを10bit、DirectionはOutputを指定し（Photo02）、名前を"LEDR"に変更する。またConduitを"ledr_pio"とする。 |
| HEX0（7セグメントLED #1） | "Processors and Peripherals" → "Peripherals" → "PIO（Parallel I/O）"でPIOを追加する。この際Widthを7bit、DirectionはOutputを指定し、名前を"HEX0"に変更する。またConduitを"hex0_pio"とする。 |
| HEX1（7セグメントLED #2） | "Processors and Peripherals" → "Peripherals" → "PIO（Parallel I/O）"でPIOを追加する。この際Widthを7bit、DirectionはOutputを指定し、名前を"HEX1"に変更する。またConduitを"hex1_pio"とする。 |
| KEY（Button×5） | "Processors and Peripherals" → "Peripherals" → "PIO（Parallel I/O）"でPIOを追加する。この際Widthを5bit、DirectionはInputを指定し、名前を"KEY"に変更する。またConduitを"key_pio"とする。 |
| タイマー | "Processors and Peripherals" → "Peripherals" → "Interval Timer"で追加。Periodは1msを指定。Counter Sizeは32bitのままとすし、名前を"Timer_1ms"とする。 |
追加後に各コンポーネントの結線を行い（Photo02）、さらにQsysの“System” → “Assign Base Address”でアドレスの割り当て直しを行う。これで基本的にQsysのエラーが消えるはずなので、“NEEK_BENCH_QSYS”という名前をつけて保存した上で、“Generate HDL”を押してqipファイルを生成しQsys側の作業は終了である。
ついでNEEK_Bench.vの編集である。こちらも従来とあまり変わらず、最終的にList 1の様に、「NEEK_BENCH_QSYS」というモジュールを呼び出す設定だけを追加すれば完了である。
これが終わったらコンパイルし、エラーがなければProgrammerでNEEK_Bench.sofを書き込んでQuartus II側の作業は終了である（Photo03）。
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