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VHDL Vivado 2017.4
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Chapter 1 소개 및 툴 설치
1-1 VHDL 소개
1-2 Xilinx 및 Vivado 툴 소개
1-3 이니프로 및 Zybo Z7-10 Kit 소개
1-4 Vivado 툴 설치
1-5 Vivado 프로젝트 만들기
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1-1 VHDL 소개
HDL(Hardware Description Language)은 하드웨어를 묘사하는 언어라는 뜻이다.
여기에서 하드웨어란 디지털 논리 회로를 의미하며 언어란 우리가 일상생활에서
사용하는 언어가 아닌 컴퓨터에서 해석되도록 만들어진 소프트웨어 언어를
의미한다. 즉, HDL 은 디지털 논리 회로를 묘사하기 위한 소프트웨어 언어이다.
현재 사용하고 있는 HDL 은 VHDL 과 Verilog HDL 이 있으며 이 중 VHDL 에
대해서 알아보자.
VHDL 의 V 는 VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit)의 약자이고 HDL 은
Hardware Description Language 의 약자이다. 그래서 VHDL 은 약자 안에 약자가
들어 있는 구조의 이름이다.
VHDL 은 원래 미국 국방성에서 주문형 집적회로(ASIC)의 문서화에 사용하기
위해 만든 언어였다. 즉, 복잡한 매뉴얼로 회로의 동작 내용을 설명하는 대신,
회로의 동작 내용을 문서화하여 설명하기 위해 개발했다. 그러나 이런 문서를
회로 디자인 과정에서 시뮬레이션에 사용하게 되었고, VHDL 파일을 읽어 들여서
논리 합성을 한 다음 실제 회로 형태를 출력하는 기능을 덧붙이게 되었다.
오늘날에는 디지털 회로의 설계, 검증, 구현 등의 모든 용도로 사용하고 있다.
그리고 VHDL 은 에이다 프로그래밍 언어의 부분집합에 디지털 회로에 필수적인
시간 개념을 추가하는 방식으로 만들어졌으나, IEEE 표준화 작업을 거치면서
오늘날과 같은 형태와 문법을 가지게 되었다. [출처] 위키 백과
VHDL 은 가독성(Readability)이 우수하다는 평가를 받고 있다. 그리고 처음에
미국 국방부를 중심으로 많이 사용해서 VHDL 은 주로 공기업에 많은 사용자가
분포하게 되었고 이에 대한 영향으로 우리나라에서도 공기업과 공기업의
협력업체들이 주로 사용하고 있다.
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1-2 Xilinx 및 Vivado 툴 소개
자일링스는 알테라와 함께 전 세계 FPGA 시장을 양분하고 있는 회사이다. 현재
이 두 회사가 FPGA 시장의 90% 이상을 점유하고 있으며 알테라는 2015 년에
인텔에 인수되어 시장의 큰 변화가 예상된다.
자일링스는 칩을 설계하는 팹리스(Fabless) 회사로 분류된다. Fab 은 제조 설비를
의미하는 fabrication 의 줄임말이며 Fabless 는 fabrication 과 less 를 합친
합성어이다. 즉, 팹리스는 반도체를 생산하는 설비가 없는 회사들을 지칭하며
반도체 설계만을 전문적으로 하는 회사들을 분류하여 부르는 말이다. 이런
팹리스 회사들은 설계한 칩을 생산하기 위해 반도체 생산라인을 가진 업체들에
주문 의뢰하여 생산한 칩을 판매한다. 여기서 반도체 생태계(Ecosystem)에서
주문의뢰를 받아서 생산을 해주는 업체들이 있는데 이런 업체를 파운드리
(Foundry)라고 부른다. 파운드리는 반도체 설계는 하지 않고 주문의뢰를 받아서
위탁생산만을 전문적으로 하는 회사들을 분류하는 말이다.
[출처] 자일링스 홈페이지(http://www.xilinx.com)
그림 1-1 Xilinx FPGA Devices
자일링스는 그림 1-1 과 같은 FPGA 디바이스들을 공급하고 있거나 출시할
예정이다. 이 그림에서 위에 있는 45nm 와 같은 숫자는 회로선 폭을 의미한다.
이 회로선 폭을 얼마나 정밀하게 공정을 할 수 있는지에 따라서 집적도가
높아지게 되며 전기신호가 흘러가는 와이어의 길이가 짧아지게 되어 속도가
빨라지고 파워 소비가 작아지며 열이 덜 나게 된다. 이와 같은 미세공정의
발전때문에 하드웨어는 계속 업그레이드해왔다. 자일링스는 16nm 공정으로
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생산할 UltraScale+를 공식적으로 출시하며 FPGA 디바이스를 지속해서
업그레이드하고 있다. 디바이스 시리즈는 저가형, 중간형, 고가형 디바이스로
나누어진다. 그림 1-1 에서 위로 갈수록 고가형 디바이스이고 오른쪽으로 갈수록
고가형 디바이스이다. 즉, Spartan 시리즈가 가장 저가형이고 Virtex 시리즈가
가장 고가형 디바이스이며 최신 칩일수록 더 가격이 비싸다. 물론 고가형일수록
성능은 더 좋고 로직 사이즈도 크다.
[출처] 자일링스 홈페이지(http://www.xilinx.com)
그림 1-2 Xilinx SoC Devices
또한, 자일링스는 그림1-2와 같이 Zynq라고 부르는 SoC 디바이스들을 공급하고
있거나 출시할 예정이다. Zynq 디바이스들은 Xilinx FPGA 와 ARM Cortex Core 가
결합한 형태로 데이터를 소프트웨어로 처리하는 프로세서와 하드웨어로
처리하는 FPGA 를 결합하여 다양한 애플리케이션에서 활용할 수 있도록 만든
디바이스이다. 다양한 분야에서 많은 관심을 불러일으키며 성공적으로
안착하였다. 현재 많은 곳에서 사용되어 성공스토리들을 생산하고 있으며 향후
더 많은 곳에서 사용될 것으로 예상된다. 특히 임베디드를 공부하는 학생들이나
일반인들에게는 하드웨어 설계에서부터 컴퓨터 구조, 임베디드 OS, 소프트웨어
프로그래밍 등 임베디드 전반에 걸친 모든 분야를 공부할 수 있는 현존하는
최고의 도구라고 할 수 있다. 그래서 이 책에서도 공부의 확장성을 위해 Zynq
디바이스를 탑재한 Zybo Z7-10 이라는 보드를 사용하여 실습한다. 하지만 이
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책에서는 Zynq 의 FPGA 부분만을 사용하여 하드웨어를 설계하는 부분에
대해서만 다룬다. 이 책을 통해 하드웨어 설계 부분을 공부한 후에 Zynq 의
ARM 코어를 활용하기 위한 공부를 이어 나가길 바란다.
기존에는 자일링스 디바이스를 사용하려면 ISE 툴을 사용했다. 그런데 7-Series
FPGA Device 와 Zynq Device 가 출시되면서 Vivado 라는 툴이 같이 출시되어서
기존에 사용하던 ISE 는 14.7 버전을 끝으로 단종 되었고 7-Series 이후에
출시되는 디바이스들은 Vivado 툴을 사용해야만 한다. ISE 14.7 버전에서는
자일링스의 기존 디바이스인 Spartan-3, Spartan-6, Virtex-4, Virtex-5, Virtex-6 와
일부 7-Series FPGA Device 와 Zynq Device 만 사용할 수 있다. ISE 는 더 이상
업데이트를 하지 않으므로 향후 출시되는 디바이스들은 ISE에서 사용할 수 없다.
반면에 Vivado 는 7-Series FPGA Device 와 Zynq Device 부터 사용 가능하며
이전의 디바이스는 사용할 수 없다. Vivado 는 계속 업데이트 중이므로 향후
출시되는 디바이스들은 모두 사용할 수 있다.
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1-3 이니프로 및 Zybo Z7-10 Kit 소개
이니프로는 FPGA 관련 제품과 교육 및 디자인 서비스를 제공하는 회사이다.
이니프로 홈페이지(www.inipro.net)에 들어가면 이니프로에서 판매하고 있는
다양한 제품들과 제공하고 있는 교육 및 디자인 서비스들을 확인할 수 있다.
본 교재 안의 모든 소스코드는 이니프로 github 사이트(github.com/inipro)에
업데이트되어 있으니 다운로드하여 사용할 수 있다.
그림 1-3 Zybo Z7-10 Board
Zybo Z7-10 Kit는 그림 1-3과 같은 디질런트(Digilent)의 Zybo Z7-10 보드에 여러
가지 실습을 하는 데 필요한 모듈 및 액세서리들을 하나로 묶어서 만든 번들
제품이다.
디질런트는 자일링스의 XUP(Xilinx University Program) 협력사로서 자일링스 칩을
탑재한 교육용 보드를 주로 생산하여 공급하고 있으며 이니프로는 디질런트의
국내 공식 대리점으로서 디질런트 제품을 국내에 공급하고 있다.
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1-4 Vivado 툴 설치
Vivado 를 설치하는 방법에 대해서 알아보자.
Step 1 자일링스 홈페이지에 접속하여 Vivado 툴을 다운로드 받는다.
1-1 자일링스 홈페이지(www.xilinx.com)에 접속한다.
1-2 SUPPORT 메뉴 아래 Downloads & Licensing 메뉴를 클릭한다.
1-3 Web Installer 를 사용하는 방식과 Single File 을 다운로드하여 설치하는
방식이 있다. Web Install 방식은 작은 사이즈의 Web Installer 파일을 다운로드
받아서 설치할 때 인터넷을 통해 필요한 파일을 다운로드 받아서 설치하는
방식이고 Single File Download 방식은 설치에 필요한 전체 파일을 다운로드
받아서 설치하는 방식이다. 여기서는 Single File Download 방식을 사용할
예정이므로 Single File Download 링크를 클릭한다.
1-4 Xilinx 로그인 화면이 나오면 이미 가입이 되어 있으면 기존 ID 로
로그인하고 가입되어 있지 않으면 계정을 만들어서 로그인해야 한다.
정상적으로 로그인이 되면 다운로드가 시작된다.
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Step 2 설치파일을 실행하여 Vivado를 설치한다.
2-1 다운로드가 완료되면 다운로드한 파일의 압축을 푼다.
2-2 설치 실행 파일인 xsetup.exe 파일을 더블 클릭하여 실행한다.
2-3 그림 1-4 와 같은 설치 초기화면이 나오면 Next 버튼을 클릭한다.
그림 1-4 Vivado 설치 화면 1
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2-4 그림 1-5 설치화면에서는 I Agree 체크박스를 모두 선택 후 Next 버튼을
클릭한다.
그림 1-5 Vivado 설치 화면 2
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2-5 그림 1-6 설치화면은 어떤 에디션을 사용할지 선택하는 화면이다. Vivado HL
WebPACK 은 무료 버전으로 자일링스 홈페이지에 가입 후 Xilinx Product Licens-
ing Site 에서 바로 무료 라이선스를 발급받을 수 있다. 라이선스를 발급하면
가입할 때 기재한 이메일 주소로 라이선스 파일이 첨부된 메일을 받을 수 있다.
첨부된 라이선스 파일을 저장하여 라이선싱을 할 수 있다. Vivado HL Design Edi-
tion 과 System Edition 은 유료 버전으로 자일링스로부터 라이선스를 구입하면
Xilinx Product Licensing Site 에 구입한 에디션이 생성된다. 구입한 에디션을 선택
후 라이선스를 발급하면 라이선스 파일 또는 라이선싱 활성화 파일이 첨부된
이메일을 받을 수 있고 이 파일을 사용하여 라이선싱을 할 수 있다. 일단
여기서는 무료 버전을 사용할 예정이니 Vivado HDL WebPACK 을 선택 후 Next
버튼을 클릭한다.
그림 1-6 Vivado 설치 화면 3
