Comment utiliser le FPGA d'hackens (ULX3S)

Un FPGA est un océan de portes reprogrammable. Plus puissant qu'un microcontrôlleur, on peut installer dessus un CPU ou du hardware spécialisé.

Pour un example d'utilisation voir:

• https://ulx3s.github.io/
• https://github.com/ulx3s/blink/tree/main
• https://blog.dave.tf/post/getting-started-fpga/

Le board d'HackENS est un terrain de jeu avec plein d'IO :

• de la SDRAM
• une carte SD
• un ESP32
• des boutons
• des leds
• un port jack
• un port hdmi
• …

Bluespec est un langage de description de hardware de haut niveau, il permet de décrire des circuits sous forme d'un ensemble de règles que le compilateur ordonnance. On peut ainsi faire clignoter une LED avec le programme suivant :

interface Top;
  (* always_ready, always_enabled *)
  method Bit#(8) led;
endinterface
 
(* synthesize *)
module mkTop(Top);
  Reg#(Bit#(32)) counter <- mkReg(0);
 
  rule incr_counter;
    counter <= counter + 1;
  endrule
 
  method led = truncateLSB(counter);
endmodule

et le compiler sous forme de fichiers verilog avec cette commande:

bsc \
	-verilog \
	-vdir rtl -bdir build -info-dir build \
	-no-warn-action-shadowing  -check-assert \
	-keep-fires -aggressive-conditions -show-schedule \
	-cpp +RTS -K128M -RTS  -show-range-conflict \
	-p :+ -g mkTop -u Main.bsv

• -p :+ liste des dossiers dont les fichiers .bs et .bsv sont importés, le + représente la librarie standard
• Top est le fichier principale
• mkTop est le module principale
• keep-fires utilise le sceduling intuitif: active chaque règle dés que possible, certaines règles peuvent tout de même rester inactives en cas de conflit avec une autre règle
• aggressive-conditions défini l'ordonnancement en cas de ... ? ... : ..., ainsi, cond ? fifo1.first : fifo2.first sera ordonnancer avec la condition de garde cond ? fifo1.notEmpty : fifo2.notEmpty plutôt que fifo1.notEmpty || fifo2.notEmpty sans utiliser cet argument. Ainsi, les conditions de garde sont plus difficiles à calculer, mais aussi plus intuitives.

yosys -DULX3S -q -p "synth_ecp5 -abc9 -top mkTop -json mkTop.json" rtl/mkTop.v

• rtl/mkTop.v est la liste des fichiers verilog, dans ce cas le fichier générer par Bluespec
• mkTop est le module verilog principale
• mkTop.json est la sortie de yosys
• -abc9 est l'algorithme de génération des LUT par défault, parfois il crash (je pense à cause des inout qui ne sont pas entièrement supporter), dans ce cas utiliser -noabc9 semble marcher

nextpnr-ecp5 --85k --json mkTop.json \
	--lpf ulx3s.lpf \
	--textcfg mkTop.config

• ulx3s.lpf fichier qui map les variables verilog sur les pins
• --85k nombre de LUT du FPGA
• on peut ajouter -gui pour avoir une interface graphique et voir le placement sur le FPGA

Pour cet exemple, ulx3s.lpf décrit les pins de la LED, l'horloge et du signal de réinitialisation :

BLOCK RESETPATHS;
BLOCK ASYNCPATHS;
## ULX3S v2.0 and v2.1

# The clock "usb" and "gpdi" sheet
LOCATE COMP "CLK" SITE "G2";
IOBUF  PORT "CLK" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33;
FREQUENCY PORT "CLK" 40 MHZ;

# JTAG and SPI FLASH voltage 3.3V and options to boot from SPI flash
# write to FLASH possible any time from JTAG:
SYSCONFIG CONFIG_IOVOLTAGE=3.3 COMPRESS_CONFIG=ON MCCLK_FREQ=62 MASTER_SPI_PORT=ENABLE SLAVE_SPI_PORT=DISABLE SLAVE_PARALLEL_PORT=DISABLE;
# write to FLASH possible from user bitstream, not possible form JTAG:
# SYSCONFIG CONFIG_IOVOLTAGE=3.3 COMPRESS_CONFIG=ON MCCLK_FREQ=62 MASTER_SPI_PORT=DISABLE SLAVE_SPI_PORT=DISABLE SLAVE_PARALLEL_PORT=DISABLE;

LOCATE COMP "RST_N" SITE "D6";  # BTN_PWRn (inverted logic)
IOBUF  PORT "RST_N" PULLMODE=UP IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;

## LED indicators "blinkey" and "gpio" sheet
LOCATE COMP "led[7]" SITE "H3";
LOCATE COMP "led[6]" SITE "E1";
LOCATE COMP "led[5]" SITE "E2";
LOCATE COMP "led[4]" SITE "D1";
LOCATE COMP "led[3]" SITE "D2";
LOCATE COMP "led[2]" SITE "C1";
LOCATE COMP "led[1]" SITE "C2";
LOCATE COMP "led[0]" SITE "B2";
IOBUF  PORT "led[0]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;
IOBUF  PORT "led[1]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;
IOBUF  PORT "led[2]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;
IOBUF  PORT "led[3]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;
IOBUF  PORT "led[4]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;
IOBUF  PORT "led[5]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;
IOBUF  PORT "led[6]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;
IOBUF  PORT "led[7]" PULLMODE=NONE IO_TYPE=LVCMOS33 DRIVE=4;

ecppack mkTop.config mkTop.bit

fujprog mkTop.bit

Il faut que le tty du fpga soit accessible par l'utilisateur courant!

On peut tout installer avec ce nix-shell:

{ pkgs ? import <nixpkgs> {} }:

pkgs.mkShell {
  buildInputs = [
    pkgs.bluespec
    pkgs.verilator
    pkgs.verilog
    pkgs.gtkwave
    pkgs.openfpgaloader

    pkgs.yosys
    pkgs.nextpnrWithGui
    pkgs.trellis
  ];

  shellHook = ''
    export BLUESPECDIR=${pkgs.bluespec}/lib
    '';
}