Kits de desenvolvimento para FPGA

Existem diversos kits de FPGA com muitas características diferentes como por exemplo: tipos de interface, capacidade de lógica, memória, preços, etc. Vou analisar os kits com a FPGA de entrada da Altera(Cyclone) pois possuem o melhor custo-beneficio e são as mais indicadas para iniciantes. Mas não se engane: elas são bem poderosas e utilizadas em muitos produtos de alto valor agregado. Vou me limitar a analisar os que já utilizei.

Eu possuo um destes. É comercializado pela Arrow e tem como objetivo familiarizar o usuário com a programação em C para o processador softcore NIOS2 da Altera. É um dos mais baratos e de melhores custo benefício. Possui interface ethernet, microSD, botões, leds, uma memória LPDDR (Low Power DDR) de 512MB, etc.

Ele já vem de fábrica com um design em flash, que possui um NIOS2 conectado a todos os periféricos do kit. Achei difícil achar os arquivos de hardware dele como, por exemplo, onde estão conectados os pinos da FPGA , algo básico para quem quer desenvolver em VHDL com este kit. Mas o objetivo da Arrow é mesmo abstrair o design do hardware em VHDL e entregar uma solução pronta onde o usuário só programe o NIOS2. Claro que é possível desenvolver VHDL com este kit e se alguém quiser os arquivos de hardware dele, como a pinagem por exemplo, e não conseguir achar no google me coloco a disposição! 

Outra coisa importuna neste kit é a LPDDR, é necessário ir no site do fabricante e pedir uma licença de uso quando quiser sintetizar o VHDL dela, é um processo burocrático e chato. A FPGA é uma Cyclone IV bem atual com 22K de elementos lógicos o que é um número muito bom. É possível, por exemplo, colocar um NIOS2 com MMU para rodar o Linux embarcado, um Mac para utilizar a ethernet e muito mais. Neste link você pode ir ao fórum da Altera nas discussões sobre o uso de VHDL no kit.

O que tem de bom: 

O que tem de ruim: 

Já ministrei um treinamento baseado neste kit. Ele possui acelerômetro, dois headers para GPIOs, 32 MB de SDRAM  (o que é mais que o suficiente para se portar um Linux), botões, dipswitches, leds e etc. O FPGA é o mesmo da BeMicro SDK (Cyclone IV com 22k de lógica).

Minha única reclamação quanto a este kit é a falta de uma interface ethernet (claro que nada te impede de colocar um phy + um rj45 em um dos GPIOs, mas …). 

É o de melhor custo-benefício se você quiser começar a aprender VHDL e não se importar com a falta de interface ethernet.

Este kit talvez seja o que mais tenho intimidade, já desenvolvi diversos projetos com ele.

Ele possui diversas interfaces, como por exemplo: porta Ethernet (algumas versões possuem duas), Display de 7-segmentos, Audio, Microfone, VGA, SDRAM, SRAM, slot de cartão de memória e etc.

É um dos mais utilizados em universidades e tem MUITOS projetos e MUITO material de aprendizado utilizando este kit como base na internet. As únicas desvantagens são: preço, FPGA um pouco antiga (Cyclone II com 35k de elementos lógicos) e pouca memória SDRAM (8MB, pouco para embarcar um linux com MMU por exemplo).

Existem algumas versões deste kit com diferentes FPGAs que corrigem estas desvantagens (exceto o preço), por exemplo o DE2-115 que possui uma Cyclone IV de 115k elementos lógicos e 128MB de SDRAM.

A DE0 é uma DE2 com menos componentes. Não possui muitas das interfaces que a DE2 possui mas, mesmo assim, conta com VGA, SDRAM de 8MB, display de 7-segmentos, leds, botões, switches, GPIOs, etc. A maior perda em relação a DE2, na minha opinião, é a falta de interface ethernet. Mas possui um ótimo custo em relação à DE2. É equipada com uma FPGA Cyclone III de 15000 elementos lógicos.

Independente do kit que você comprar recomendo ler toda a documentação que vier com ele, nos kits Altera é comum um Userguide que posui as instruções básicas de como utilizar o kit bem como todos os pinos da FPGA e onde estão ligados na placa, este documento é muito útil! Também vale a pena estudar os reference designs que rodam algumas aplicações testes com algumas interfaces da placa, um exemplo de reference design é o web server que vem com a DE2, que  possui toda a infraestrutura de rede conectada, com um SoC contendo o processador NIOS2 e codigo fonte para ele rodando um servidor web. Basta jogar o .sof que vem com o projeto e testar se está tudo funcionando conforme o manual.

Uma outra utilidade do kit, além do aprendizado, é a prototipação de um produto e teste de conceito.

Pra que perder tempo e dinheiro desenvolvendo um hardware que pode não funcionar como o esperado quando você pode comprar um pronto, soldado, testado, com diversas interfaces e a um preço convidativo? 

Normalmente os kits possuem diversos GPIOs onde você pode conectar um hardware qualquer e simular as interfaces do seu produto caso o kit não as tenha por padrão.

É normal empresas comparem Kits que possuem uma FPGA similar a que elas pretendem utilizar, assim já é possível uma ótima noção se a FPGA tem tamanho o suficiente para o hardware proposto, se o clock que você estava imaginando vai funcionar bem no seu projeto e etc. 

Caso possua o produto pronto e testado em um kit, é só mandar fazer a placa. Se for o mesmo FPGA, com as mesmas interfaces e pinagem, dá até para utilizar o mesmo binário!!! Não é fantástico? Você tem seu produto desenvolvido e testado a um custo muito pequeno se comparado ao custo de uma placa customizada para testes.

O código em VHDL, se bem escrito, é completamente portável entre FPGAs diferentes. Então não perde-se tempo de desenvolvimento escolhendo um kit com um FPGA diferente do que pretende-se utilizar no produto.

Confesso que na grande maioria da minha experiência profissional e aprendizado trabalhei com kits e projetos Altera. Só trabalhei com Xilinx por um curto período de tempo recentemente.  Se alguém quiser contribuir com experiencias em kits Xilinx fique a vontade! Sei que o equivalente a linha Cyclone da Altera é a Spartan da Xilinx.