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Synchronous Synthesizable Hardware Description Language (SSHDL)

Langages, Non classé, SSHDL

Depuis quelques années, plusieurs nouveaux langages HDL basés sur des langages de programmations génériques émergent. Ces programmes peuvent être qualifiés de SSHDL pour Synchronous Synthesizable Hardware Description Language

HDL ?

Pour Hardware Description Langage, c’est un langage de description matériel. Un HDL permet de décrire le comportement d’un composant numérique, comme des bascule D, des ALU, ou des microprocesseurs complet.

Les deux HDL les plus connu sont bien sûr le VHDL et le Verilog. Se sont les seuls à être reconnu comme standard par tous les logiciels de synthèses du marché. C’est donc un passage obligé pour travailler sur les FPGA.

Synthesizable ?

Cela peut paraître étrange, mais VHDL/Verilog ont beau être supporté par tous les logiciels de synthèse du marché, se ne sont pas des langage que l’on peut considérer comme synthétisable. Seul un sous ensemble de ces deux langages l’est, le reste étant utilisé pour la simulation.

Une architecture décrite dans un langage synthétisable … sera synthétisable. Si une portion du code n’est pas synthétisable alors il y a une erreur de code.

Synchronous ?

C’est quelque chose qui est indispensable en conception HDL. Tout le design doit être cadencé avec la même horloge, même si nous cherchons à capturer un événements extérieur (comme une interruptions) il est nécessaire de le resynchroniser avec l’horloge principale. Dans un SSHDL, le fonctionnement synchrone est implicite. L’horloge qui cadence tout le design n’a pas a être indiqué à chaque registre.

Toutes personnes qui a travaillé sur un FPGA de taille raisonnable le sait, il est impossible de cadencer tout son design avec la même horloge, puisque certain sous ensembles comme les contrôleurs de RAM ou les sérialiseur/déserialiseur nécessitent leurs propres horloges qui n’est généralement pas synchrone avec l’horloge globale. Il est alors nécessaire d’introduire la notion de domaines d’horloges et de soigner la conception des franchissement de domaines d’horloges de nos signaux (Clock domain crossing) afin d’éviter la métastabilité.

C’est un des points sensible qui fait la qualité d’un SSHDL : comment est géré le franchissement de domaines d’horloges ?

Standards industriels ou joujoux universitaires ?

Pour que ces langages puissent avoir un minimum d’espoir d’être déployés dans l’industrie, il faut que l’on puisse les utiliser sur les FPGA du marché. Il faut donc  des logiciels capables de les synthétiser. Il est illusoire de croire que les gros fabricant de FPGA adoptent ces petits langages open-source pour leurs FPGA. Le SystemC est un bon exemple de langage qui n’a pas percé par manque de logiciel de synthèse (par contre il est très utilisé dans la simulation, car très rapide).

C’est pour cette raison que ces nouveaux langages ont choisi de générer leur designs en VHDL et/ou Verilog. Toutes la conception/simulation se fait donc avec ces nouveaux langages, et quand on veut faire la synthèse on lance la génération du VHDL/Verilog pour tester sur FPGA.

On peut ainsi considérer le VHDL/Verilog comme un langage «assembleur» du FPGA/ASIC.

Petites listes de SSHDL

La liste des SSHDL connus peut être trouvé dans la rubrique HDL de ce blog.

IceStudio, du schéma au verilog

icestorm, outils, verilog

IceStudio est un logiciel graphique permettant de concevoir un design FPGA à la manière d’un schéma électronique.

Le logiciel est encore largement expérimentale (version 0.2) et centré sur les FPGA ice40 de chez lattice.

En fait, IceStudio se veut une extension graphique au projet IceStorm — chaine de synthèse/place&route/bitstream opensource —.

Architecturé en javascript autour de Nodejs, le logiciel permet de dessiner son projet au moyen de blocs reliés entre eux par des signaux.

icestudio-0.2-crono_

Les blocs peuvent être pris dans une librairie fourni avec le logiciel, mais il est également possible de créer des blocs «vierges» dans lesquels on écrira le code verilog correspondant au comportement souhaité.

icestudio-0.2-counter-inspection

Le format de sauvegarde du projet est en  JSON, un outils de conversion permet ensuite de le transformer en code Verilog pour la synthèse.

Installation

Pour l’installer nous aurons besoin du paquet «npm» :

sudo apt-get install npm

Puis de télécharger le projet git:

git clone https://github.com/FPGAwars/icestudio.git

Et enfin de lancer la commande d’installation comme décrite dans le README.md:

cd icestudio
npm install

Pour l’exécuter lancer simplement

npm start

Et si comme pour votre serviteur, cela ne marche pas du tout 😉 allez plutôt chercher la release sur https://github.com/FPGAwars/icestudio/releases. Dézippez la

unzip Icestudio-0.2.0-beta2-linux64.zip

Puis lancez le simplement :

./Icestudio

Le projet est encore jeune mais très prometteur.  Espérons que nous verrons rapidement l’intégration de nouvelles plateformes/FPGA, voir une version FPGA-Agnostic.

 

SpinalHDL va-t-il remplacer Chisel ?

Chisel, Langages, SpinalHDL, , , ,

SpinalHDL est un langage HDL ressemblant à s’y méprendre à Chisel. Et pour cause, son créateur est un ancien utilisateur intensif de Chisel.

  • Tout comme Chisel, SpinalHDL est basé sur le langage Scala.
  • Tout comme Chisel, les entrées/sorties sont décrites au moyen de Bundles.
  • Tout comme Chisel, Spinal génère un langage HDL pour la synthèse.

Alors pourquoi ne pas utiliser Chisel ?

  • Car SpinalHDL génère du VHDL pour la synthèse, et non du Verilog
  • Car SpinalHDL gère les domaines d’horloges de manière élégante
  • Car la déclaration des entrées sortie est plus «naturelle» pour un habitué de VHDL/Verilog. En effet, pour déclarer les des signaux comme entrée ou sortie d’un module sur Chisel il faut faire : 
    
   val io = new Bundle {
     val a = Bool(INPUT)
     val b = Bool(INPUT)
     val c = Bool(OUTPUT)
   }

    Alors que sur SpinalHDL on fera:

    
   val io = new Bundle {
     val a = in Bool
     val b = in Bool
     val c = out Bool
   }

    Ce qui est plus naturel.

  • La gestion des blackbox est mieux intégrée.

De plus, Charles (dolu1990) m’informe qu’il y a maintenant une implémentation de RISCV avec 5 étages de mul/div/interruptions fonctionnel en SpinalHDL:

Bonjour,

Flash info Spinal XD
Il y a maintenant une implémentation de RISCV, 5 stages mul/div/interrupt
fonctionnel codée en Spinal.
Le cpu égualement débuggable via JTAG, fork openOCD, GDB et eclipse. (c'est
a ma connaissance la seul implémentation RISCV qui cible les FPGA avec
cette fonctionnalité)

Au plaisir de libérer les FPGA de leur asservissement.
Charles

Bref pas mal de choses intéressantes qui j’espère dynamiserons le développement de Chisel également et peut-être fusionnerons à terme ?

Pour la documentation officielle c’est par là.

Non non, vhd2vl n’est pas mort, contrairement à ce qui a été dit dans l’article de description du projet. Son auteur Larry Doolittle a publié une nouvelle version 2.5 l’été dernier (2015).

Et pour simplifier le développement collaboratif de ce programme un github a été ouvert. Comme il le dit sur sa page personnel du projet, Larry souhaite simplement intégrer son outils dans icarus (vhdlpp) de manière à pouvoir faire de la simulation VHDL avec. Mais pour faire une simple conversion VHDL->Verilog, vhd2vl est toujours d’actualité.

Fizzim, des machines d’états sans se fatiguer

blog, fsm, Langages, outils, verilog, vhdl, ,

Fizzim est un petit logiciel graphique écrit en Java permettant de dessiner des machines d’états. Ce qui le différencie des autres logiciels de «dessin» c’est que Fizzim est capable de générer le code Verilog et/ou VHDL synthétisable correspondant.

fizzimtest

Installation

L’archive est disponible sur le site officiel. Pour l’installer sous Linux, il suffit de la télécharger et de la dezziper dans le répertoire de son choix :

$ mkdir fizzim
$ cd fizzim
$ wget wget http://www.fizzim.com/mydownloads/fizzim_520.zip
$ unzip fizzim_520.zip

La documentation est disponible sous la forme d’un pdf. C’est un programme écrit en java il faut donc lancer «l’executable» avec la machine virtuelle java :

$ java -jar fizzim_v14.02.26.jar

Fizzim enregistre ses projets avec un format *.fzm. Pour générer du code Verilog ou VHDL il faut utiliser le script perl fourni :

$ perl fizzim.pl < test.fzm > test.v

Pour le VHDL faire:

$ perl fizzim.pl -language VHDL < test.fzm > test.vhd

Un petit programme qui ne paye pas de mine mais qui est bien utile, surtout que le développement FPGA fait un usage intense des machines d’états.

Une nouvelle release d’icarus verilog est désormais disponible sur le ftp officiel.

Pour l’installer sous linux, rien de plus simple :

$ wget ftp://icarus.com/pub/eda/verilog/v10/verilog-10.0.tar.gz
$ tar -zxvf verilog-10.0.tar.gz
$ cd verilog-10.0/
$ ./configure
$ make
$ sudo make install

Vérifier la bonne installation avec :

$ iverilog -v
Icarus Verilog version 10.0 (stable) (v10_0)

Copyright 1998-2015 Stephen Williams

  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  it under the terms of the GNU General Public License as published by
  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  (at your option) any later version.

  This program is distributed in the hope that it will be useful,
  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  GNU General Public License for more details.

  You should have received a copy of the GNU General Public License along
  with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301, USA.

iverilog: no source files.

Usage: iverilog [-ESvV] [-B base] [-c cmdfile|-f cmdfile]
                [-g1995|-g2001|-g2005|-g2005-sv|-g2009|-g2012] [-g]
                [-D macro[=defn]] [-I includedir]
                [-M [mode=]depfile] [-m module]
                [-N file] [-o filename] [-p flag=value]
                [-s topmodule] [-t target] [-T min|typ|max]
                [-W class] [-y dir] [-Y suf] source_file(s)

See the man page for details.

Synchronisation d’un signal externe avec Chisel

Chisel, Langages, , ,

Quand on récupère un signal extérieur au fpga dont on ne maitrise pas le timing d’arrivée des fronts — typiquement un bouton ou une interruption — il est nécessaire de le synchroniser par rapport à l’horloge qui cadence le FPGA.

Il faut donc utiliser le montage classique des deux bascules. En Verilog et en VHDL cela se traduit par la déclaration d’un signal intermédiaire permettant la connection entre les deux bascules:

reg tmp, sig_s;

always @(posedge clk)
 begin
    tmp <= sig;
    sig_s <= tmp;
 end

Avec Chisel l’exemple donné dans le tutorial (page 14) est assez décevant car il impose aussi l’utilisation d’un signal intermédiaire :

s1 :=  signalA
s2 := s1;
signalB := s2

Pourtant il existe une méthode un peu plus élégante ne nécessitant qu’une seule ligne de code si on regarde du coté de la classe ChiselUtil : ShiftRegister()

Cette fonction permet de décaler un signal du nombre de coup d’horloge donné en argument, la synchronisation d’un signal par une double bascule n’étant rien de plus qu’un registre à décalage de deux coups d’horloge il suffit donc de l’utiliser avec un décalage de 2 :

val  sig_s = ShiftRegister(sig, 2)

Si on regarde le Verilog généré par le backend on obtient bien les deux bascules souhaitées:

always @(posedge clk) begin
[...]
sig_s <= R23;
R23 <= sig;
[...]
end

Voila qui nous simplifie grandement les design, et évite l’empilement des copier/coller de signaux temporaire pour synchroniser des grappes de signaux.

FPGA Prototyping By Verilog Examples: Xilinx Spartan-3 Version

Langages, livre, verilog, , ,

 

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Très bon début pour commencer le Verilog pour le FPGA. Ce livre ne s’attarde pas trop sur les arcanes du langage, mais se contente de décrire les structures essentielles pour être rapidement opérationnel dans la conception de designs FPGA en Verilog.

Les exemples sont données pour le Spartan3 de chez Xilinx. Cependant ils sont de bonnes bases pour développer sur n’importe quel autre FPGA, même d’une autre marque.

Et si vous préférez vous mettre plutôt au VHDL, sachez qu’il existe exactement le même livre en version VHDL.

FPGA Prototyping by VHDL Examples: Xilinx Spartan-3 Version

Langages, livre, vhdl, , , ,

vhdl_xilinx_book

Très bon début pour commencer le VHDL pour le FPGA. Ce livre ne s’attarde pas trop sur les arcanes du langage, mais se contente de décrire les structures essentielles pour être rapidement opérationnel dans la conception de designs FPGA en VHDL.

Les exemples sont données pour le Spartan3 de chez xilinx. Cependant ils sont de bonnes bases pour développer sur n’importe quel autre FPGA, même d’une autre marque.

Et si vous préférez vous mettre plutôt au Verilog, sachez qu’il existe exactement le même livre en version Verilog.