Kundenspezifische FPGA-Lösungen rasch realisiert

| Redakteur: Margit Kuther

MAX1000 von Arrow: Das Board basiert auf Intels FPGA MAX10
MAX1000 von Arrow: Das Board basiert auf Intels FPGA MAX10 (Bild: Arrow)

In einem immer schneller werdenden Zeitalter von komplexeren Systemen müssen Lösungen im richtigen Zeit- und Kostenrahmen geschaffen werden. Das Board MAX1000 von Arrow kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten.

Im vergangenen Jahr hat Arrow in Zusammenarbeit mit Trenz Electronic das FPGA IoT Board MAX1000 vorgestellt, das mittlerweile in vielen Bereichen zum Einsatz gekommen ist. Das Board basiert auf dem Intel FPGA MAX10. Was zunächst als Low-Cost- und Maker-Board von Arrow und Trenz Electronic angedacht war, ist heute Bestandteil zahlreicher Applikationen bei Kunden von Arrow und Trenz.

Denn das MAX1000 ist nicht nur ein leicht zu handhabendes Einsteigerboard, sondern stellt auch ein voll qualifiziertes Produkt zum Einsatz in Endprodukten dar. Ob nun 1:1 direkt in der Applikation verbaut, als um bestückte oder modifizierte Variante, oder als vollkommen neues und erweitertes kundenspezifisches MAX10-Design, sind verschiedenste Versionen möglich. Nach nur wenigen Wochen ist es möglich, ein neues Modell des MAX1000 nach detaillierten Kundenanforderungen als Prototyp bereit zu stellen.

Im Sinne von Time-to-Market ist genau diese Schnelligkeit ein Vorteil, da eine Eigenentwicklung mit Beschaffung und Produktion um ein Vielfaches länger dauern würde und auch der Qualifizierungsprozess komplett aufgesetzt und durchlaufen werden müsste. Auch der Zugriff auf viele bereits bestehende Software Designs und Projekte in Quartus Prime bilden einen guten Einstiegspunkt und sparen nochmals Zeit bei der Implementierung der Applikation. Der Einsatz des Boards führt zu Zeit- und Kosteneinsparungen im gesamten Entwicklungsprozess, sowie eine Risiko-Minimierung, wo ein qualifiziertes Produkt Verwendung findet.

Drei Varianten des MAX1000

Aktuell gibt es drei Varianten des MAX1000 mit unterschiedlichen Logik- und Speichergrößen als Bestückungsoption. Zudem wurden bereits SMD-lötbare und steckbare System-on-Module-Varianten an Hand von Kundenanforderungen davon abgeleitet, mit anderen FPGA Packages und Zusatzfunktionen wie Interfaces, Sensoren und Speicher.

Das MAX1000 beinhaltet in der Standardvariante bereits sehr viele nützliche und durchdachte Eigenschaften, welche in die eigene Applikation leicht übernommen werden können. Das Herzstück ist Intels FPGA MAX10 als Singlechip-Lösung, mit skalierbarer Logikgröße von 2 - 16 kLE, integriertem Dual-Boot und User Flash, einem 12 Bit ADC, DSP-Blöcke, Instand-on-Einschalt-Verhalten und einem implementieren NIOS2 Softcore zur einfachen C-Programmierung als Standarddesign.

Als erweiterten Arbeitsspeicher für den Softcore oder auch zur flüchtigen Datenspeicherung ist ein externes SDRAM vorhanden. Für größere Programme und Daten ist ein QSPI Flash an den FPGA angebunden. Hier wurde kein normaler Flash verwendet, sondern das spezielle Winbond Authentication und Security Flash der Serie W74M mit erweiterten Funktionen. Das W74M beinhaltet zusätzlich zum Flash einen HMAC-SHA-256-Kryptobeschleuniger und jeweils vier separate Zähler in Verbindung mit einem eigens wählbaren flüchtigen und nichtflüchtigen Security-Schlüssel. Damit kann der über SPI gesendete Speicherwert mit einem Zeitstempel versehen und dementsprechend verschlüsselt werden, welche die Nachricht dann gegen Angriffe von außen absichert.

W74M für erhöhte Sicherheitsanforderungen

Das W74M ermöglicht dem Entwickler, seinen Code und seine Daten zu schützen und bringt ihm zugleich erhöhte Sicherheit durch mehrfach mögliche Authentifizierung in allen Ebenen. Durch die vier vorhandenen Schlüssel kann eine Authentifizierung der eigenen CPU/FPGA, dem darüber liegenden Gateway, der angebundenen Cloud bis hin zur App auf dem Mobile-Device stattfinden, um so eine komplett verschlüsselte Daten-Übertragung zu ermöglichen.

Um erste Demoprojekte mit dem MAX1000 zu realisieren, sind ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, acht LEDs und zwei Schalter verbaut, welche zum Beispiel eine Wasserwaage als Applikation ermöglichen, wie aber auch ein Indoor-Tracking realisierbar machen können.

Zur weiteren Anbindung von externen Funktionalitäten wie Sensoren, Schnittstellen oder Signalen, ist ein PMOD und Arduino MKR Pinning vorhanden wofür es bereits diverse fertige Boards gibt. Die Spannungsversorgung wird über ein effizientes und platzsparendes DCDC Wandler Modul mit integrierter Spule von Enpirion bereitgestellt, welches über USB mit 5 V versorgt wird und die single Supply für den MAX10 erzeugt.

Darüber hinaus ist ein MEMS-Oszillator verbaut, welcher den Grundtakt für den MAX10 liefert und zugleich auch die FTDI USB zu JTAG Bridge als Programmier/Debug-Schnittstelle taktet. Hier verbirgt sich eine weitere sehr nützliche und besondere Funktionalität des MAX1000 Boards mit seinem integrierten Arrow USB Programmer2. Bereits früher hatte Arrow seinen eigenen Treiber zum Programmieren und Debuggen von Intel FGPAs (damals noch Altera), welcher auf Arrow eigenen Boards oft verbaut wurde.

Mit der Weiterentwicklung der FPGAs und auch der Betriebssysteme wurde dieser überarbeitet und bekam auch einen neuen Namen „USB Programmer2“, sodass dieser nun eine sehr hohe Geschwindigkeit und viele nützliche Zusatzfunktionen bereitstellt. Über USB werden zwei Kanäle zum PC geöffnet, ein JTAG und ein UART, somit ist es möglich über eine USB Verbindung den FPGA zu debuggen und gleichzeitig eine UART Ausgabe von Daten am Bildschirm darzustellen.

Kostenlose Nutzung des USB Programmer2 mit Arrow-Boards

Die Lizenzbedingungen der Arrow-eigenen Treibersoftware für den USB Programmer2 erlauben eine kostenlose Nutzung zusammen mit den eigens dafür vorgesehenen Arrow-Boards. Da der USB Programmer2 auch sehr interessant ist für die FPGA-Board-Entwicklung bei Kunden, gibt es diesen auch als günstiges eigenständiges kleines Board mit JTAG Stecker für den Einsatz während der Entwicklung und als lizensiertes SMD auflötbares Modul in 17 mm x 17 mm für Endanwendungen.

Basierend auf dem Formfaktor des MAX1000 ist nun auch das CYC1000 Board verfügbar, welches den neuen Cyclone10 LP mit 25kLE enthält und sehr ähnliche Funktionalität wie das MAX1000 Board ausweist. Auch das CYC1000 kann direkt oder in einer modifizierten Variante in einem Endprodukt verwendet werden, da voll qualifiziert.

In Kürze zu erwarten sind Cyclone10 LP und Cyclone10 GX

In Kürze wird dann das Cyclone10 LP Reference Kit mit 55kLE zur Verfügung stehen, welches den vollen Umfang an Schnittstellen und Speichern beinhaltet, beispielsweise 2 x Ethernet 10/100, USB2.0, VGA, Mehrkanal ADC/DAC, SDRAM, HyperRAM, Flash, Oszillator, PMOD, Arduino, LVDS, 7-Segment-Anzeige, LEDs und Schalter.

Eine Leistungsklasse höher wird auch gerade an einem System on Module Cyclone10 GX entwickelt, mit folgenden Eigenschaften, 220kLE, 12 x 12,5 Gbit Transceiver, hohe Anzahl von LVDS Leitungen, Gbit Ethernet, DDR3, Security, Clocking und vieles mehr. Dieses SOM ermöglicht es sehr günstige Applikationen zu realisieren für die Schnittstellen 10 Gbit Ethernet, USB 3.x, JESD204B, oder bezogen auf Anwendungen etwa in den Bereichen Acceleration, BigData, Gateway, Industrial, Video und Kamera.

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