Адаптация платы Colorlight 5A-75B для примеров «Школы синтеза цифровых схем»

О самой Школе более подробно можно прочитать на сайте, здесь же детально рассмотрим последовательность действий, позволяющих адаптировать ещё одну плату для отладки примеров, изучаемых в Школе.

"Я его слепила из того, что было" или ещё одно применение бюджетной платы с ПЛИС

Colorlight 5A-75B предназначена для управления светодиодными панелями и не является отладочной платой в привычном понимании этого понятия. Тем не менее, она набрала популярность в среде ПЛИС-энтузиастов благодаря своей доступности, низкой стоимости ( порядка 15$ ) и поддержке Open Source маршрута проектирования на базе Yosys.

Известны различные версии платы. Мне досталась версия v8.2, на которой установлены:

• Lattice FPGA ECP5 LFE5U-25F-6BG256C ( 25k LUT4 )

• Winbond 25Q32JVSIQ ( 32 Mbits SPI flash )

• 2x Realtek RTL8211FP Gigabit Ethernet PHYs

• 1x ESMT M12L64322A 2M 200MHz SDRAM ( 4 x 512k x 32bit )

• 12x 74HC245T ( bus transceivers )

Подробную документацию на все компоненты и описание выводов можно найти в репозитории chubby75. Сборка Open Source маршрута со всем необходимым ПО для синтеза и моделирования цифровых схем называется OSS CAD. Последние версии сборки можно найти на вкладке Releases. Версии обновляются ежедневно. Для конфигурирования ПЛИС в состав OSS CAD входит OpenFPGALoader и можно использовать любой подходящий JTAG-адаптер. Список всех поддерживаемых адаптеров можно посмотреть командой openFPGALoader --list-cables. Я использовал имеющийся у меня digilent_hs3.

В репозитории Школы содержатся примеры и упражнения на SystemVerilog, последовательно подготавливающие слушателей к решению реальных микроархитектурных задач. Все примеры можно запускать не только на симуляторе, но и на реальных ПЛИС-макетах. Основными элементами управления и визуализации результатов на отладочных платах являются светодиоды, семисегментные индикаторы и кнопки. В некоторых примерах задействуется монитор.

Напрямую вывести картинку из платы Colorlight 5A-75B на монитор не представляется возможным - на ней не установлен нужный разъём и его приходится докупать. Вариантов тут два. Либо использовать плату расширения VGA PMOD ( стоимостью около 10$ ) с большим числом выводов, либо HDMI PMOD, которая дешевле, требует меньшего числа проводов для подключения, но для формирования HDMI-потока используется повышенная частота на которой работают сериалайзеры ( SerDes ). Я выбрал второй вариант, подключив к плате имеющуюся у меня плату расширения HDMI PMOD ( стоимостью порядка 3$ ) просто с помощью проводов. На сайте fpga4fun имеется хороший пример, позволяющий вывести картинку из ПЛИС-макета на монитор по интерфейсу HDMI, который я и использовал как отправную точку.

На плате имеются 8 разъемов ( J1 - J8 ) для подключения светодиодных панелей, сигналами на которых может управлять ПЛИС. Между разъемами и самой ПЛИС расположены микросхемы буферов, которые сконфигурированы на вывод данных из платы. Это обстоятельство накладывает некоторые ограничения на возможность использования J1-J8 для ввода данных в плату, но для HDMI это не критично. Таблица соответствия номеров контактов разъёмов и портов ПЛИС, к которым я подключил HDMI PMOD, приведена ниже. В такой конфигурации удалось вывести на монитор картинку в разрешении 640x480 24bpp 60Hz.

На плате имеется всего одна кнопка и один светодиод, чего явно недостаточно. В репозитории Школы уже реализована поддержка платы расширения на основе микросхемы TM1638, позволяющей подключить 8 светодиодов, 8 семисегментных индикаторов и 8 кнопок. Подключение осуществляется по трехпроводному интерфейсу с сигналами stb, clk, dio ( двунаправленный ) и цепями земли gnd и питания vcc. Отдельную сложность представляет подключение двунаправленного сигнала dio, т.к. его нельзя завести на разъёмы J1 - J8, которые сконфигурированы только на вывод. Решением является использование разъема J19 на который выведен дублирующий сигнал с кнопки J28 key+ ( подключен к ПЛИС без буфера ), а также gnd и 3v3. Для оставшихся сигналов можно использовать разъем J5. Таблица соответствия номеров контактов разъёмов и портов ПЛИС, к которым был подключен блок кнопок и индикации, приведена ниже.

Сигналы JTAG: TCK, TMS, TDI, TDO, Vref, GND подключаются к контактам J27, J31, J32, J30, J33 и J34 соответственно. Проще всего это сделать с обратной стороны платы. Тактовый сигнал 25МГц приходит на ПЛИС на порт P5.

Подключение блока питания к плате осуществляется через разъемы J35 или J36, которые непосредственно соединены с выходными буферами разъемов J1-J8. Таким образом, чтобы напряжение на разъемах J1-J8 не превысило допустимые значения, необходимо использовать 3.3В источник питания, а не 5В.

В конфигурации с PMOD HDMI и блоком кнопок и индикации TM1638 плата Colorlight 5A-75B представляет собой уже полноценную бюджетную отладку. Отдельным ее преимуществом является наличие двух гигабитных Ethernet-портов и SDRAM, что редко можно встретить в отладочных платах начального уровня в указанном ценовом диапазоне.

Добавление поддержки Colorlight 5A-75B в окружение с примерами Школы синтеза цифровых схем

Я нигде не нашел пошаговой инструкции по интеграции новых отладочных плат в проект и решил восполнить этот недостаток:

1. Настройка окружения для поддержки ПЛИС Lattice ECP5 и OSS CAD осуществляется скриптами 00_setup.source_bash и 00_setup_yosys.source_bash. Беглый их анализ показал, что необходимо в директории boards основного репозитория basics-graphics-music создать папку, в названии которой обязательно должны быть слова yosys и ecp5, тогда скрипты автоматически добавляют новую плату при запуске основного скрипта настройки окружения check_setup_and_choose_fpga_board.bash.

2. Далее, в этой новой папке необходимо создать файл-обертку board_specific_top.sv, подключающий верхний уровень примеров lab_top.sv к конкретной плате. Добавить в папку файл с описанием привязки портов ПЛИС к конкретным сигналам board_specific.lpf. Можно также добавить дополнительные .sv и .v файлы, необходимые для корректной работы - они также будут автоматически добавлены при синтезе. В моем случае это были файлы контроллера HDMI hdmi.v и блок формирования тактовой частоты clock.v.

3. Добавить make-файл, описывающий синтез и конфигурирование ПЛИС. В моем случае это вызов yosys, nextpnr-ecp5, ecppack и openFPGALoader с подходящими параметрами.

Запуск примеров на плате

Для запуска примеров необходимо перейти в папку с конкретной лабораторной работой и выполнить скрипт 03_synthesize_for_fpga.bash, который осуществляет синтез исходников и конфигурирование ПЛИС.

Примеры делятся на несколько классов:

• basics

• graphics

• music

• microarchitecture

• cpu

За неимением i2c микрофона под рукой я не смог проверить на плате примеры 3_music, а вот 1_basics и 2_graphics успешно отработали.

Следует отметить, что Yosys и Icarus Verilog имеют очень ограниченную поддержку SystemVerilog и некоторые примеры из microarchitecture не запускались. Эта проблема решилась при помощи конвертора sv2v, который преобразовывает код на SystemVerilog в Verilog HDL.

Все исходные коды были переданы организаторам Школы и скоро появятся в основном репозитории.