Matériel | Front de Libération des FPGA

Les chercheurs de Berkley qui ont fondé le set d’instruction (ISA) Risc-V (prononcez Risque failleve) ont également monté une société nommée SiFive.

Cette société conçoit des cœurs de processeurs nommés Freedom Everywhere et propose à ses clients de l’inclure dans des ASIC personnalisé. Les processeurs créés restent évidemment open-source, et l’intégralité du code (Chisel) est disponible sur le site de SiFive.

Pour promouvoir leur processeur, SiFive a fabriqué un microcontrôleur 32bits nommé Freedom E310. SiFive a également réalisé une carte «compatible arduino» qu’il est possible de commander en crowdsourcing pour prendre en main ce processeur.

C’est ce que nous allons tester ici. Le kit est livré «sec», pour l’alimenter il faut donc soit trouver un câble d’alimentation, soit décider de l’alimenter via l’USB comme expliqué dans le manuel de démarrage.

Le plus gros composant que l’on voit sur la carte est le convertisseur USB-Série et non le microcontrôleur. Le microcontrôleur se trouve à droite avec le «symbole superman».

Branchement

Le branchement du kit sur l’USB fait apparaître deux convertisseurs FTDI :

[16353.800810] usb 3-1: new high-speed USB device number 2 using xhci_hcd
[16353.941120] usb 3-1: New USB device found, idVendor=0403, idProduct=6010
[16353.941124] usb 3-1: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=0
[16353.941126] usb 3-1: Product: Dual RS232-HS
[16353.941139] usb 3-1: Manufacturer: FTDI
[16354.969029] usbcore: registered new interface driver usbserial
[16354.969056] usbcore: registered new interface driver usbserial_generic
[16354.969076] usbserial: USB Serial support registered for generic
[16354.986140] usbcore: registered new interface driver ftdi_sio
[16354.986162] usbserial: USB Serial support registered for FTDI USB Serial Device
[16354.986298] ftdi_sio 3-1:1.0: FTDI USB Serial Device converter detected
[16354.986354] usb 3-1: Detected FT2232H
[16354.986609] usb 3-1: FTDI USB Serial Device converter now attached to ttyUSB0
[16354.986634] ftdi_sio 3-1:1.1: FTDI USB Serial Device converter detected
[16354.986673] usb 3-1: Detected FT2232H
[16354.986906] usb 3-1: FTDI USB Serial Device converter now attached to ttyUSB1

La carte est livrée avec un bootloader faisant clignoter la led 4-couleurs D6. Il est possible de communiquer avec ce programme via le second port série :

$ sudo screen /dev/ttyUSB1 115200

On obtient le message de superman après avoir appuyé sur reset:

                SIFIVE, INC.

         5555555555555555555555555
        5555                   5555
       5555                     5555
      5555                       5555
     5555       5555555555555555555555
    5555       555555555555555555555555
   5555                             5555
  5555                               5555
 5555                                 5555
5555555555555555555555555555          55555
 55555           555555555           55555
   55555           55555           55555
     55555           5           55555
       55555                   55555
         55555               55555
           55555           55555
             55555       55555
               55555   55555
                 555555555
                   55555
                     5

               'led_fade' Demo 



55555555555555555555555555555555555555555555555
5555555 Are the LEDs Changing? [y/n]  555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
y
PASS

Compilons un programme pour l’E310

La mise en route du kit est relativement simple dans la mesure ou tout est décrit dans le document «getting started».

Évidemment, le cœur du proc est libre, du coup la chaîne de compilation l’est aussi pardi. Il suffit de la télécharger sur sa machine :

$ git clone --recursive https://github.com/sifive/freedom-e-sdk.git

Puis

cd freedom-e-sdk
make tools

Et attendre que ça compile en prenant son café.

Dans mon cas (Debian jessie) il fallait également installer les packets suivant pour que ça compile:

sudo apt-get install libmpc-dev

Un fois installé, on peut compiler la démo de gpio comme ça:

$ make software PROGRAM=demo_gpio BOARD=freedom-e300-hifive1

Puis la télécharger ainsi :

$ make upload PROGRAM=demo_gpio BOARD=freedom-e300-hifive1
work/build/openocd/prefix/bin/openocd -f bsp/env/freedom-e300-hifive1/openocd.cfg & \
/opt/freedom-e-sdk/work/build/riscv-gnu-toolchain/riscv64-unknown-elf/prefix/bin/riscv64-unknown-elf-gdb software/demo_gpio/demo_gpio --batch -ex "set remotetimeout 240" -ex "target extended-remote localhost:3333" -ex "monitor reset halt" -ex "monitor flash protect 0 64 last off" -ex "load" -ex "monitor resume" -ex "monitor shutdown" -ex "quit" && \
echo "Successfully uploaded 'demo_gpio' to freedom-e300-hifive1."
Open On-Chip Debugger 0.10.0+dev (2017-11-18-18:04)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
	http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
adapter speed: 10000 kHz
Info : auto-selecting first available session transport "jtag". To override use 'transport select '.
Info : ftdi: if you experience problems at higher adapter clocks, try the command "ftdi_tdo_sample_edge falling"
Info : clock speed 10000 kHz
Info : JTAG tap: riscv.cpu tap/device found: 0x10e31913 (mfg: 0x489 (SiFive, Inc.), part: 0x0e31, ver: 0x1)
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=0
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=1
Info : Examined RISCV core; XLEN=32, misa=0x40001105
Info : Listening on port 3333 for gdb connections
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=2
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=3
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=4
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=5
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=6
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=1, interrupt_high_delay=7
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=7
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=8
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=9
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=10
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=12
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=14
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=16
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=18
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=20
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=23
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=26
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=29
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=32
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=36
Info : [0] Found 2 triggers
halted at 0x204000fe due to debug interrupt
Info : Listening on port 6666 for tcl connections
Info : Listening on port 4444 for telnet connections
Info : accepting 'gdb' connection on tcp/3333
Info : Found flash device 'issi is25lp128' (ID 0x0018609d)
trap_entry () at /opt/freedom-e-sdk/bsp/env/entry.S:41
41	  STORE x27, 27*REGBYTES(sp)
Info : JTAG tap: riscv.cpu tap/device found: 0x10e31913 (mfg: 0x489 (SiFive, Inc.), part: 0x0e31, ver: 0x1)
JTAG tap: riscv.cpu tap/device found: 0x10e31913 (mfg: 0x489 (SiFive, Inc.), part: 0x0e31, ver: 0x1)
halted at 0x204000fe due to debug interrupt
halted at 0x204000fe due to debug interrupt
cleared protection for sectors 64 through 255 on flash bank 0
cleared protection for sectors 64 through 255 on flash bank 0
Info : JTAG tap: riscv.cpu tap/device found: 0x10e31913 (mfg: 0x489 (SiFive, Inc.), part: 0x0e31, ver: 0x1)
halted at 0x204000fe due to debug interrupt
Loading section .init, size 0x6c lma 0x20400000
Loading section .text, size 0xbbe6 lma 0x2040006c
Loading section .rodata, size 0x1144 lma 0x2040bc58
Loading section .eh_frame, size 0x68 lma 0x2040cd9c
Loading section .data, size 0x9d0 lma 0x2040ce04
Info : Padding image section 0 with 6 bytes
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=40
Info : Retrying memory read starting from 0x80000000 with more delays
Info : dtmcontrol_idle=5, dbus_busy_delay=2, interrupt_high_delay=45
Info : Retrying memory read starting from 0x80000000 with more delays
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
Info : JTAG tap: riscv.cpu tap/device found: 0x10e31913 (mfg: 0x489 (SiFive, Inc.), part: 0x0e31, ver: 0x1)
halted at 0x80000004 due to software breakpoint
Start address 0x20400000, load size 55246
Transfer rate: 52 KB/sec, 6905 bytes/write.
halted at 0x20400004 due to step
halted at 0x20400004 due to step
shutdown command invoked
shutdown command invoked
A debugging session is active.

	Inferior 1 [Remote target] will be detached.

Quit anyway? (y or n) [answered Y; input not from terminal]
Remote communication error.  Target disconnected.: Connection reset by peer.
Successfully uploaded 'demo_gpio' to freedom-e300-hifive1.

Malgrés l’erreur, visiblement le programme a bien été téléchargé dans le micro puisque les leds s’allument bien alternativement.
Et surtout, le message de démarrage s’affiche bien sur le /dev/ttyUSB1 :

core freq at 266646323 Hz
 
                SIFIVE, INC.

         5555555555555555555555555
        5555                   5555
       5555                     5555
      5555                       5555
     5555       5555555555555555555555
    5555       555555555555555555555555
   5555                             5555
  5555                               5555
 5555                                 5555
5555555555555555555555555555          55555
 55555           555555555           55555
   55555           55555           55555
     55555           5           55555
       55555                   55555
         55555               55555
           55555           55555
             55555       55555
               55555   55555
                 555555555
                   55555
                     5

SiFive E-Series Software Development Kit 'demo_gpio' program.
Every 2 second, the Timer Interrupt will invert the LEDs.
(Arty Dev Kit Only): Press Buttons 0, 1, 2 to Set the LEDs.
Pin 19 (HiFive1) or A5 (Arty Dev Kit) is being bit-banged
for GPIO speed demonstration.

.
Avec arduino

Ça n’est pas pour rien que le kit ressemble à s’y méprendre à un arduino : il est possible d’utiliser l’ide d’arduino pour se connecter à la carte.

L’ide arduino se trouvant dans ma debian est trop vieux pour pouvoir ajouter la toolchaine sifive. J’ai donc du télécharger la 1.8 puis l’installer. Heureusement ça n’est pas très compliqué :

$ tar -Jxvf arduino-1.8.5-linux64.tar.xz
$ cd arduino-1.8.5/
$ ./install.sh 
$ ./arduino

Une fois lancé, il faut ajouter la configuration du package sifive en allant dans les préférences pour ajouter l’url suivante :

http://static.dev.sifive.com/bsp/arduino/package_sifive_index.json

Puis installer la plate-forme «sifive» via le board manager. Il faut également sélectionner «SiFive open ocd» comme programmeur.

Ne pas oublier de relancer l’ide et roulez jeunesse ! On peut facilement compiler/télécharger l’exemple de clignotement de led.

Le jour du 27 mai 2015 sera à marquer d’une pierre blanche, en effet, c’est le jour où un FPGA a été libéré du joug des logiciels privateurs.

C’est le jour où Wolf Clifford a sorti une première version fonctionnelle du projet IceStorm permettant de synthétiser un design écrit en Verilog via Yosys et de faire le placement routage grâce à Arachne-pnr.

La conversion en bitstream et la programmation du chip se fait grâce aux utilitaires icepack et iceprog du projet IceStorm.

Pour l’instant le composant ciblé est le Lattice iCE40 HX1K-TQ144 pouvant être trouvé sur le kit d’évaluation lowcost (~$20) iCEstick.

Voici ci-dessous un petit howto rapide permettant de faire les manipulations se trouvant dans la vidéo de Clifford.

Icestorm howto

Installation de Yosys

$ cd /opt
$ git clone https://github.com/cliffordwolf/yosys.git 
$ yosys_deps="build-essential clang bison flex libreadline-dev gawk
	       tcl-dev libffi-dev git mercurial graphviz xdot pkg-config python"
$ sudo apt-get install $yosys_deps
$ make config-gcc
$ make
$ make test
$ sudo make install

Installation d’IceStorm

$ sudo apt-get install libftdi-dev
$ cd /opt/
$ mkdir icestorm
$ wget http://www.clifford.at/icestorm/icestorm-snapshot-150526.zip
$ unzip icestorm-snapshot-150526.zip
$ make
$ sudo make install

Et enfin arachne-pnr

$ cd /opt/
$ git clone https://github.com/cseed/arachne-pnr.git
$ make && sudo make install

Synthèse, placement-routage, bitstream et programmation

Un exemple de «programme» est donné avec arachne-pnr dans le répertoire
example/rot. Cet exemple est composé du source en vérilog rot.v ainsi que du
placement des pin rot.pcf.

Synthèse (Génération du blif)

$ cd /opt/arachne-pnr/example/rot/
$ yosys -p "synth_ice40 -blif rot.blif" rot.v

Placement routage (Génération du txt)

$ arachne-pnr -d 1k -p rot.pcf rot.blif -o rot.txt

Le fichier généré rot.txt est la description finale du placement et du routage
du design dans le fpga. Cette description est parfaitement lisible en ascii
avec n’importe quel éditeur de texte.
Pour le télécharger dans le fpga nous devons le convertir en format binaire au
moyen de la commande «icepack» :

$ icepack rot.txt rot.bin

Nous avons un bitstream parfaitement compatible avec le ice40, il
nous faut maintenant le télécharger dans le fpga.
Et même pour cela, un logiciel libre est fourni : iceprog !

$ sudo iceprog rot.bin

On peut faire le tout en une seule ligne aussi si on veut :

yosys -p "synth_ice40 -blif rot.blif" rot.v;arachne-pnr -d 1k -p rot.pcf rot.blif -o rot.txt;icepack rot.txt rot.bin;sudo iceprog rot.bin

Et voila, bienvenue dans ce monde nouveau du FPGA libre !

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