Tutorial emulación/simulación de Arduino en FPGA - Parte I

Introducción
Hay que entender que el hardware de Arduino es un microcontrolador muy común, con su memoria, multiplexores, registros, buses, etc. No es más que un circuito digital. En sitios como opencores.org podemos encontrar modelos RTL de muchos microprocesadores. Es una descripción abstracta de lo que un circuito digital hace.

ATmega2560 por dentro (físicamente)

Ejemplo: un inversor digital da a su salida el valor negado de la entrada. En esta descripción abstracta no se habla de tecnología utilizada de transistores, de encapsulados o de medidas de rendimiento como el tiempo de respuesta.

Representación de un modelo de inversor

Seis inversores en un encapsulado

Si cada componente de un microcontrolador se define de esta forma y se establecen las conexiones entre los cientos o miles de componentes, se puede crear un modelo RTL bastante complejo pero funcional.

Representación esquemática de componentes y conexiones en un ATmega103 modificado

• Un modelo RTL se crea con lenguajes de descripción de hardware (HDL) como son VHDL o Verilog.
• Un modelo RTL sirve para simular el comportamiento de un circuito hardware con ayuda de un ordenador.

Es la forma de diseñar hardware hoy. No puede haber un prototipo físico en cada cambio que haya en el proceso de diseño de un microprocesador o microcontrolador.

Una FPGA es un dispositivo hardware que se configura con un modelo RTL. Esto significa que es posible hacer que una FPGA se comporte como un microcontrolador determinado y, por lo tanto, hacer que se comporte como cualquier circuito digital. Este ejercicio se llama emulación.

• El objetivo de este tutorial es emular un microcontrolador ATmega103 en una FPGA y hacer que ejecute programas Arduino.
• Además, se optimizarán programas para crear procesos paralelos y se personalizará el hardware para, por ejemplo, crear salidas analógicas PWM en cualquier pin.

Software utilizado
Xilinx ISE Webpack 13.1 para sintetizar el diseño. Incluye ISim para simularlo.
Opcional: ModelSIM SE o PE para simularlo (no sirve el Student Edition)AVR8 Source Code V1.6. Código fuente en VHDL del ATmega103 modificado por Gadget Factory.
Butterfly Arduino IDE. IDE de Arduino 0018 modificado por Gadget Factory.



Parte II - Emulación del modelo RTL de Arduino
Índice del tutorial