FPGA (ПЛИС) — это программируемые логические интегральные схемы, которые могут выполнять параллельные вычисления со скоростью гигагерц. Мы подключим Lattice iCE40 через SPI и запрограммируем его на лету!

Схема подключения:

Код для программирования FPGA:

#include <SPI.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define FPGA_CS 10
#define FPGA_CRESET 9
#define FPGA_CDONE 8

// Битстрим FPGA (в PROGMEM)
const uint8_t fpga_bitstream[] PROGMEM = {
    // ... (бинарные данные конфигурации)
};

void send_bitstream_bit(uint8_t bit) {
    static uint8_t byte = 0;
    static uint8_t bit_pos = 0;
    
    if (bit) {
        byte |= (1 << (7 - bit_pos));
    }
    bit_pos++;
    
    if (bit_pos == 8) {
        SPI.transfer(byte);
        byte = 0;
        bit_pos = 0;
    }
}

void programFPGA() {
    // Инициализация SPI
    SPI.begin();
    SPI.setDataMode(SPI_MODE0);
    SPI.setBitOrder(MSBFIRST);
    SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4);  // 4 МГц
    
    // Сброс FPGA
    digitalWrite(FPGA_CRESET, LOW);
    delay(10);
    digitalWrite(FPGA_CRESET, HIGH);
    delay(10);
    
    // Ждем, пока FPGA будет готов
    while (!digitalRead(FPGA_CDONE)) {
        delay(1);
    }
    
    // Отправляем битстрим
    digitalWrite(FPGA_CS, LOW);
    
    uint16_t bitstream_size = sizeof(fpga_bitstream) * 8;
    for (uint16_t i = 0; i < bitstream_size; i++) {
        uint8_t bit = pgm_read_byte(&fpga_bitstream[i / 8]) & (1 << (7 - (i % 8)));
        send_bitstream_bit(bit);
    }
    
    // Завершаем программирование
    digitalWrite(FPGA_CS, HIGH);
    delay(10);
    
    // Проверяем успешность
    if (digitalRead(FPGA_CDONE)) {
        Serial.println("FPGA успешно запрограммирован!");
    } else {
        Serial.println("Ошибка программирования FPGA!");
    }
}

// Отправка данных на FPGA (пример: управление светодиодами)
void sendToFPGA(uint8_t data) {
    digitalWrite(FPGA_CS, LOW);
    SPI.transfer(data);
    digitalWrite(FPGA_CS, HIGH);
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(FPGA_CS, OUTPUT);
    pinMode(FPGA_CRESET, OUTPUT);
    pinMode(FPGA_CDONE, INPUT);
    
    digitalWrite(FPGA_CS, HIGH);
    
    programFPGA();
}

void loop() {
    // Отправляем данные на FPGA каждые 100 мс
    static uint8_t counter = 0;
    sendToFPGA(counter++);
    delay(100);
}

Verilog-код для FPGA (простой счетчик):

verilog

module counter (
    input clk,         // 16 МГц от Arduino
    input rst,
    input [7:0] data,  // Данные от Arduino (SPI)
    output reg [7:0] led
);

reg [31:0] counter = 0;

always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        led <= 8'b0;
        counter <= 0;
    end else begin
        counter <= counter + 1;
        if (counter % 1000000 == 0) begin
            led <= data;  // Обновляем светодиоды из SPI-данных
        end
    end
end

endmodule