Smart-USBを利用した開発設計の メリットとデメリット 有限会社プライムシステムズ

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1 Smart-USBを利用した開発設計の メリットとデメリット 有限会社プライムシステムズ 2015.04
有限会社プライムシステムズ

2 USBインタフェースの利点 開発機器の小型化、低消費電力化が可能 PCIeバスに比べて小型化できて設計しやすい 基板サイズに制限がない
据え置き型：デスクトップが必要 可搬型：ノート・タブレット・デスクトップいずれも対応 データ転送速度が高速で、 バス・マスタとして動作可能 PCIeバスレートは、Gen2で5Gbps PCIeの基板サイズに制限がある データ転送速度が高速で、 バス・スレーブのみ対応 USBバスレートは、USB3.0で5Gbps 基板サイズに制限なし PCI Express USB PRIME SYSTEMS, INC

3 USB-IF実現方法（１） USB-UART変換ICを利用する 長所：USBを単純に仮想COMポートとして扱える
TeraTerm等のターミナルソフトで通信できる 専用デバイスドライバや、ファームウエアを設計する必要がない 短所：データ転送速度が低速、Max.230Kbps程度 UARTを備えたIC(マイコン等）やPLD/FPGAが必要 FTDI社の専用IC等… PRIME SYSTEMS, INC

4 USBの実効データ転送レートを簡単に向上できない
USB-IF実現方法（２） マイコン内蔵のUSB機能を利用する 長所：GPIOやその他の機能を自由に設定できる 短所：USBプロトコル機能の開発が必須 デバイスドライバの開発や、マイコンUSBソフトの開発が必要（デバイスドライバはマイコンメーカの汎用デバイスドライバを利用できることがある） 開発に時間がかかりすぎる USBの実効データ転送レートを簡単に向上できない PRIME SYSTEMS, INC

5 USBの実効データ転送レート(平均）350MB/s(USB3.0) 40MB/s(USB2.0)
USB-IF実現方法（３） Smart-USBを利用する 長所：USB機能をすべて提供、通信速度が高速 USB-UART変換ICと同様、USB機能を開発不要 マイコン利用時に必要なUSBプロトコル機能の開発不要 短所：ユニットコストが高め 大量生産用途には不向き-> 少量生産には最適 USBの実効データ転送レート(平均）350MB/s(USB3.0) 40MB/s(USB2.0) PRIME SYSTEMS, INC

6 Smart-USBとは（概要） PCと連携した計測・制御機器の開発に最適 USB-IFとFPGAを組み合わせた汎用開発システム FPGA
Windows 32b/64b Linux 対応 無償FPGAサンプル回路（HDL) システム開発ボード(既製品） Memory FPGA USB 制御IC 専用デバイスドライバ 制御アプリ ＋ USBプロトコルを実現する専用API群 Connector USBプロトコルを実現する USBファームウエア PRIME SYSTEMS, INC

7 Smart-USB 製品ファミリ USB2.0対応 Smart-USB Plus USB3.0対応 Smart-USB Sigma
小型（名刺サイズ）で機器への組込が容易 USB3.0対応 Smart-USB Sigma 平均350MB/sのデータ転送が可能な高速ボード PRIME SYSTEMS, INC

8 Smart-USBとは（特長） USBプロトコルの開発が不要
デバイスドライバ、USBファームウエア、PC制御ソフト ウエアをすべて提供 面倒なUSBプロトコルは、専用のAPIにして提供 USB-IFに必要な開発は、FPGAでUSB制御ICとの IF回路を構築するだけ サンプル回路（HDL)でらくらく接続 FPGA USB 制御IC ユーザ回路 PRIME SYSTEMS, INC

9 Smart-USBの主な機能 FPGAのコンフィグ（プログラム） メモリ・アクセス レジスタ・アクセス
PC制御ソフトからFPGAを瞬間コンフィグ 30ms～500ms程度、FPGA規模（容量）に依存 メモリ・アクセス メモリやボード外部からコネクタ経由で収集・生成する大 規模なデータを高速に転送 FPGA内部メモリをバッファとしてデータの転送も可能 レジスタ・アクセス 8/16/32/64bit単位の小規模データや最大64バイトのデー タを一括転送 レジスタの入出力ポートをFPGA-I/Oに接続すれば、制御 ソフトから直接I/O制御が可能 PRIME SYSTEMS, INC

10 Smart-USBのソフトウエア仕様 ソフトウエア仕様はすべての製品で共通 Windows7/8 (32/64bit) 対応
Windows 32b/64b Linux 対応 Windows7/8　(32/64bit)　対応 Linux（ubuntu)対応 制御ソフトウエアはオープンソース USBプロトコルに関連する機能はAPI化 レジスタ・データアクセスもAPIで簡単 NI社のLabVIEWツールに対応 サンプルアプリを無償配布 無償提供するDLLにより、VC++,VC#, VB.net, C++Builder, Delphi等の開発ツールで制御アプリをカスタマイズ可能 専用デバイスドライバ 制御アプリ 製品に標準添付するアプリ画面 PRIME SYSTEMS, INC

11 Smart-USBの利用方法 FPGA周辺回路とUSB-IFは完成済み
ボードに不足する部分を追加することで、 短納期、低コストのシステム開発が可能 FPGA周辺回路は動作確認済み データ収集、生成ができるサンプルFPGA回路を無償提供 制御ソフトもすぐに使える エンジニアはFPGA設計に注力できる システム開発のベース基板として扱える アナログIF、 特殊なコネクタ、 メモリ、 ドライバ/レシーバIC etc… FPGA（BGA)が無ければ、基板層数も4～8程度で対応できる　 必要な機能だけをモジュール化できる　 子基板側を変更するだけで、様々なシステムに適応できる 最終的にFPGAボード側を取り込んだ1枚基板として、量産にも対応できる PRIME SYSTEMS, INC

12 PCと連携したボード制御 1台のホストPCから最大127台のSmart-USBボー ドを制御できます
I/Oが不足する場合にボードを追加したり、ケーブル等の 送受信チェック、検査治具への応用が可能です サンプル制御ソフトでは、ボード選択パネルを用意しています。 PRIME SYSTEMS, INC

13 連続したデータの収集 ADデータの収集や、外部機器からのデータ収集な ど、連続したデータ収集が可能
ボード上のメモリをバッファとし、ギガバイト単位のデー タを収集 （HDDの空き容量に依存します） HDDの空き USB2.0：40MB/s USB3.0：350MB/s ADコンバータ 間欠エラーデータの収集など、 長時間のデータ収集も可能 リファレンス制御アプリで読み出したデータの保存先を指定し、READするだけでデータ転送が完了 PRIME SYSTEMS, INC

14 データジェネレータ データパターンをファイル化し、ボードのメモリ に転送後、FPGA回路でタイミング調整しながら データ出力が可能
, , , USB2.0：40MB/s USB3.0：350MB/s 外部機器 メモリでバッファリングしながら、ハード的なタイミング規定でデータ生成が可能 リファレンス制御アプリでファイルを読み込み、ボードにWriteするだけで、データ転送が完了 PRIME SYSTEMS, INC

15 USBを利用したFPGAリコンフィグ C B A B FPGA全体を書き換える場合=> USBコンフィグ機能
数十msでFPGAの回路機能を書き換え（P.9のUSBコンフィグを利用） 機能毎に用意したコンフィグデータにより、システム動作中に複数の機能を実現 FPGAのPLL機能だけ変更する場合 PLL設定を変更するので、数十種類以上のクロックを生成可能 アルテラFPGA　=>　PLL設定ファイルを転送（P.9のメモリアクセスを利用） ザイリンクスFPGA => PLL設定を制御（P.9のレジスタアクセスを利用） C B A B コンフィグデータや PLL設定ファイル PRIME SYSTEMS, INC

16 PC制御ソフトウエアのカスタマイズ USBプロトコルに関する制御はAPI化
ファイルの転送、FPGAのコンフィグ、ボードの選択な ど、専用APIを利用できます VC++/VC#/VB.net、C++Builder/Delphi対応 C++Builderプロジェクトを無償提供 VC++/VB.netプロジェクトを無償提供 LabVIEWに対応したので、計測・データ解析がさらに簡単になりました LabVIEWプロジェクトを無償提供 VC++ Windows Linux/Solaris/MacOS libusb VB.net DelPhi C# C++Builder LabVIEW VBA DLL GCC　 etc... 当社オリジナル PRIME SYSTEMS, INC

17 台数が多ければ、ユニット当たりに占めるライセンス費用は小さくなる
量産にも対応したSmart-USB Smart-USB Plus/Sigma製品の短所はユニットコ ストの高さ デメリットは、以下のメリットに置き換わります 試作や数台～20台程度の生産　 （USB-IF開発費やFPGA基板設計が不要、開発期間が短い） 年に何台出るかわからないような場合 量産計画が決まっている場合 USB-IF部分をお客様のシステムにそっくり移植するシス テムIP（ライセインス販売）を提供 System-Core2.0 　：USB2.0対応 System-Core3.0 　：USB3.0対応 台数が多ければ、ユニット当たりに占めるライセンス費用は小さくなる PRIME SYSTEMS, INC

18 量産への移行手順 試作フェーズ USB-IFを移植 量産フェーズ カスタマイズしたPC制御ソフトウエアは、量産システムでそのまま利用可能
既存FPGAボードと子基板でシステム開発　 カスタマイズしたPC制御ソフトウエアは、量産システムでそのまま利用可能 子基板 USB-IFを移植 USB-IFを切り出したシステムIPをユーザ基板側に移植して基板製造　 System Core FPGAサイズやメモリ容量など最適化して、再設計 基板サイズ・形状も最適化 1機種に対するライセンス契約により、生産台数が多いほどコストメリットが得られます。 生産台数は無制限に対応。 量産フェーズ PRIME SYSTEMS, INC

19 まとめ（Smart-USB採用のメリット）
ソフトウエアのカスタマイズにより、自社最終製 品に組み込んで利用することができます。 製品がヒットした場合など、システムIPの適用に より量産への対応も可能です。 PRIME SYSTEMS, INC

20 まとめ（当社のデザインサービス） 既存製品に対するデザインサービス 既存製品をベースとして、ユーザ仕様に100%対応 するデザインサービス
FPGA設計 ボード制御ソフトウエア設計 子基板設計・製造に対応 既存製品をベースとして、ユーザ仕様に100%対応 するデザインサービス 基板回路設計・基板製造 工数が足りないところや面倒な部分だけ対応も可能なお値打ち設計サービスです 1枚の基板が必要だったり、必要な機能だけを詰め込む場合など、自由度の高い設計サービスです PRIME SYSTEMS, INC

21 参考 製品情報サイト（オフィシャルサイト） 技術サポートサイト ソーシャルネットワークサイト お問い合わせ先
技術サポートサイト ソーシャルネットワークサイト Facebook Twitter お問い合わせ先 TEL PRIME SYSTEMS, INC