FPGAdventures de Hackster: un nuevo viaje con el kit de vídeo SoC PolarFire de Microchip

FPGAdventures de Hackster comienza una nueva etapa de su viaje, ya que en la Serie 2 nos sumergimos profundamente en la última placa de desarrollo de Microchip para su SoC PolarFire, un novedoso dispositivo de bajo consumo pero de alto rendimiento que combina capacidades flexibles de matriz de puertas programables en campo (FPGA) con un quinteto de núcleos de procesamiento de clase de aplicación construidos alrededor de la arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) RISC-V, gratuita y de código abierto.

El kit de video PolarFire SoC está construido, como su nombre lo indica, alrededor del PolarFire SoC para proyectos relacionados con video, y viene completo con un par de cámaras con sensor Sony de resolución 4k, dispuestas en una alineación adecuada para trabajos de video estéreo. Con espacio para expansión de hardware, dos puertos Ethernet para comunicación e incluso una ranura PCI Express, ¿podría el PolarFire SoC Video Kit ser el dispositivo definitivo para la experimentación con video en el borde?

Por supuesto, el kit de vídeo PolarFire SoC no es la primera placa de desarrollo de Microchip que presenta el dispositivo. Ese honor es para el Icicle Kit, diseñado como una plataforma de uso más general para experimentar con el SoC PolarFire, y que se encontraba en el centro de nuestra anterior FPGAdventures Serie 1, que puede leer en su totalidad a partir de aquí.

Al colocar las dos placas una al lado de la otra, hay un cambio inmediatamente obvio: el kit de video PolarFire SoC es considerablemente más grande que su predecesor. Hay la misma ranura PCI Express Gen. 2 de cuatro carriles en el borde inferior y un encabezado mikroBUS para una rápida expansión del hardware, pero ahí terminan las similitudes. El encabezado de entrada/salida de uso general (GPIO) de 40 pines del kit Icicle desapareció y fue reemplazado por un conector de alta densidad posiblemente más útil para una tarjeta intermedia FPGA (FMC). Los dos puertos Gigabit Ethernet están presentes y son correctos, aunque desplazados hacia el borde superior, pero la ranura para tarjetas SD de tamaño completo se ha reducido con el lavado y ahora es una ranura para tarjetas microSD.

Quizás el cambio más interesante entre las dos placas es la inclusión no de uno sino de dos puertos HDMI 2.0: una entrada y una salida. El Icicle Kit, por el contrario, carece de conectividad HDMI, lo que hace que el Video Kit sea más útil de inmediato para… bueno, tareas de video. Sin embargo, lo más destacado de la nueva placa es un conector de alta densidad en el borde superior con conectividad MIPI Camera Serial Interface (CSI), diseñado para usarse con una placa secundaria equipada con dos cámaras Sony IMX334 con resolución 4K, posicionadas para imágenes estéreo. tareas.

Hay que decir que es probable que esa placa hija sea una elección de diseño de amarla u odiarla. Es una placa rígida que encaja perfectamente en el conector CSI con los sensores mirando hacia afuera, lo que significa que no hay necesidad de instalar un soporte para que filmen cualquier cosa excepto el techo, pero también significa que no puedes moverte hacia donde están mirando. sin rotar toda la placa de desarrollo, no es una tarea fácil dado su impresionante tamaño. Si está utilizando los puertos Ethernet, también tendrá la tarea de asegurarse de que sus cables no entren en el campo de visión de las cámaras.

El propio SoC PolarFire también es diferente entre las dos placas. El kit Icicle usa el MPFS250T-FCVG484EES, mientras que el kit de video usa el MPFS250TS-1FCG1152I. Visualmente, esto significa que el chip del Video Kit es notablemente más grande con un disipador de calor más robusto que el del Icicle Kit; si los desoldaras y miraras debajo, verías que se debe a que el kit Icicle usa un chip Ball Grid Array (BGA) de 484 conductores y el kit de video usa uno con 1,152 conductores. Internamente, los dos son iguales: ofrecen elementos lógicos de cuatro entradas de 254 k, 784 bloques matemáticos, 16 carriles SERDES con ancho de banda de 12,7 Gbps y cuatro núcleos de aplicaciones RV64GC RISC-V que funcionan a 600 MHz, pero la diferencia de empaquetado afecta la cantidad de datos del chip. La funcionalidad interna está expuesta en la placa host.

La idea de una "FPGA para una aplicación específica" parece ridícula, y eso ciertamente no es lo que Microchip ofrece aquí: el SoC PolarFire en el Video Kit es exactamente tan flexible y configurable como el del Icicle Kit, y faltan características de la placa como a pesar del encabezado GPIO, cualquier cosa que pueda hacer en Icicle Kit también puede hacerlo en Video Kit, que ofrece una excelente manera de comenzar si ya tiene experiencia con Icicle Kit.

Pero es innegable que la placa en sí está construida teniendo en cuenta una aplicación, o más bien una clase específica de aplicación. Está justo ahí en el nombre: PolarFire SoC Video Kit. Esos cables adicionales en el paquete de la FPGA se están utilizando para brindar conectividad de alto rendimiento adecuada para usar con sensores de imagen, no solo a través del conector CSI y la placa secundaria de sensor dual 4k incluida, sino a través de la entrada HDMI y el conector FMC, que incluye CoaXPress. 2.0, 6/12G SDI, hasta 10G USXGMII y conectividad USB 3.1 Gen. 2, aunque el uso de cualquiera de estos requerirá hardware adicional en forma de una placa intermedia adecuada.

La presencia de USB 3.1 Gen. 2 en el conector FMC plantea una pregunta sobre el conjunto de características de la placa: la falta de USB en la propia placa. A pesar de su impresionante tamaño, el único puerto host USB es un simple conector micro-USB 2.0 On-The-Go: una oportunidad perdida para encontrar una manera fácil de agregar sensores de cámara USB adicionales de bajo costo para una fácil expansión en experimentos donde el ancho fijo La tarjeta de visión estéreo incluida no es suficiente.

También hay indicios de aplicabilidad a campos tangenciales al trabajo de video puro: la placa del kit de video incluye un encabezado CAN-FD para el trabajo del bus de la red de área del controlador (CAN), desarrollado originalmente para cableado automotriz, aunque ahora también se encuentra comúnmente en sistemas de control industrial. Por supuesto, no debería sorprender: con la industria automotriz fuertemente enfocada en sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), si no en capacidades completas de conducción autónoma, ciertamente hay un lugar para el desarrollo de una visión en el automóvil basada en PolarFire SoC. sistema.

En cuanto al software, no hay nada que diferencie el Icicle Kit y el Video Kit. Todo el hardware de video se maneja en el dispositivo, ya sea en la FPGA o en los SoC RISC-V desde el entorno Linux preinstalado, dependiendo de lo que esté haciendo. Si tiene un entorno de desarrollo configurado para el Icicle Kit, entonces está listo para usar el Video Kit: simplemente conecte el cable micro-USB incluido y comience a trabajar.

Para aquellos que llegan nuevos, eso significa que todas las críticas planteadas contra el Icicle Kit también son válidas para el Video Kit, comenzando con la necesidad de registrarse para obtener una licencia para la suite de desarrollo Libero SoC. Si bien la licencia es gratuita (aunque requiere volver a registrarse cada año), también está respaldada por un servidor de validación de licencias molesto y sorprendentemente ineficaz; usted será completamente responsable de alojarlo y ejecutarlo en su propio hardware.

Tampoco es muy acogedor para los recién llegados. Como señalamos en nuestra FPGAdventures Serie 1 original del Icicle Kit, el deseo de Microchip de ver a los fabricantes y expertos adoptar la plataforma PolarFire SoC está en desacuerdo con la naturaleza fuertemente corporativa de su software. Las guías de introducción sólo lo llevan hasta cierto punto, y dar el salto de seguir los proyectos introductorios a crear algo completamente nuevo no es para los débiles de corazón.

Por supuesto, eso no quiere decir que Microchip no lo esté intentando. El kit de video viene preprogramado con un proyecto para ejecutar un codificador H.264 en la FPGA y transmitir el video resultante a través de uno de los dos puertos Ethernet, completo con una interfaz de usuario basada en web para ajustar la compresión, el balance de color y el brillo. Esto está documentado paso a paso en el repositorio GitHub de PolarFire SoC; una segunda demostración, que vincula el kit de video con un kit Icicle utilizando la arquitectura unificada (UA) de comunicaciones de plataforma abierta (OPC) para demostrar el control industrial en el borde impulsando un motor paso a paso, solo está documentada en una nota de aplicación en PDF, un eco del mismo enfoque disperso hacia la documentación que afectó al Icicle Kit.

También necesitarás una computadora potente como fuerza impulsora para tus proyectos. Libero SoC Design Suite, como se llama el paquete de software completo, requiere más de 30 GB de espacio en el disco duro y un sistema con al menos 16 GB de RAM para funcionar. Además, solo está disponible oficialmente en Windows 10, no en Windows 11, y en versiones anteriores seleccionadas de Red Hat Enterprise Linux, CentOS, OpenSUSE Leap y Ubuntu Linux; la más nueva de las cuales, Ubuntu 20.04 LTS, celebró recientemente su tercer cumpleaños y desde entonces ha sido reemplazado por Ubuntu 22.04 LTS. Es casi seguro que aquellos que utilizan otras distribuciones de Linux encontrarán que el software extrañamente frágil no se instala; aquellos que ejecutan macOS de Apple ni siquiera tienen la opción de probar, ya que no hay versiones compatibles disponibles.

Los inconvenientes mencionados anteriormente son buenas razones por las que el kit de vídeo PolarFire SoC puede no resultar atractivo para el aficionado ocasional, pero hay una razón mayor: el precio. El kit de video PolarFire SoC cuesta un poco menos de $ 2000, incluida la placa, la fuente de alimentación, la placa secundaria de la cámara 4k con doble sensor y la fuente de alimentación; el Icicle Kit, por el contrario, cuesta $ 600 más asequible, un aumento, gracias a la inflación global y las secuelas de los problemas de escasez de componentes relacionados con la pandemia, respecto de un precio de lanzamiento original de $ 499.

Dadas las capacidades y especificaciones del dispositivo, y el módulo de cámara de alta resolución incluido en el kit, no se puede decir que el kit de vídeo PolarFire SoC sea demasiado caro; de hecho, tiene un precio bastante razonable para un equipo de ingeniería respaldado por la investigación de una empresa bien financiada. y presupuesto de desarrollo. Sin embargo, para la mayoría de los fabricantes tendría que ser una compra muy considerada, y para proyectos que puedan aprovechar al máximo sus capacidades.

Mostrar esas capacidades es exactamente para lo que sirven los proyectos de muestra de Microchip, y en nuestra próxima entrada de FPGAdventures Serie 2 veremos el primero de los proyectos de demostración de la compañía (codificación de video H.264 y transmisión en red) para ver si está funcionando. suficiente para entender por qué debería gastar casi $2,000 en el kit.

Más información sobre el kit de vídeo PolarFire SoC está disponible en el sitio web de Microchip y también se puede encontrar en la página del producto de Avnet.

Lea ahora la totalidad de FPGAdventures Serie 1: El kit de carámbano SoC PolarFire de Microchip: