FPGAs iCE40 |
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La línea iCE40 de Lattice merece una mención especial debido a que son las primeras FPGAs
del mercado para las cuales existe un flujo de desarrollo completamente basado en software
libre. Al mismo tiempo se trata de dispositivos con cualidades interesantes.
¿Por qué las iCE40?:Estas FPGAs fueron originalmente desarrolladas por la empresa Silicon Blue Technologies, que luego fue adquirida por Lattice (Anuncio). Fueron originalmente pensadas como FPGAs de bajo consumo para implementar lo que se conoce como glue-logic. Por lo que su objetivo principal fue de proveer soluciones pequeñas, de bajo costo y bajo consumo. Estas FPGAs poseen una estructura muy simple en comparación con las FPGAs actuales de Xilinx y ALTERA. Las siguientes características hacen que las iCE40 sean interesantes:
Si a esto le sumamos que existe un tool-chain basado en software libre las mismas cobran particular interés. Algunos detalles:Las celdas lógicas de la iCE40 están compuestas por una LUT de 4 entradas, un flip-flop y una lógica de acarreo. Esto es muy parecido a lo que se encontraba en FPGAs como la Spartan II. Sin embargo debemos tener en cuenta que opciones avanzadas, encontradas en FPGAs de Xilinx, no se encuentran disponibles. A modo de ejemplo: las LUTs no son aptas para implementar memoria distribuida ni registros de desplazamiento. Diseños que hacen uso de estas características se verán afectados de forma muy adversa. Son de bajo consumo y su fabricante declara un consumo mínimo (en stand-by) de 21 µW. Poseen bloques de memoria embebidos (BRAMs). Aunque los mismos son pequeños (4 kib) y son "half dual-port". Esto es que, si bien soportan dos relojes, cada puerto sólo implementa lectura o escritura, pero no las dos cosas. Los pines de I/O poseen dos flip-flops para poder implementar protocolos DDR. Soportan los estándares LVCMOS de 1,8; 2,5 y 3,3 V. También soportan LVDS (de 2,5 V y de baja tensión). Es posible seleccionar un pull-up en las entradas. También es posible manejar corriente, aunque no todos los pines soportan corrientes altas. Dependiendo del encapsulado pueden tener hasta dos PLLs, aunque hay partes que no poseen ninguno. Los PLLs permiten una síntesis básica de frecuencias. Su documentación es escasa, fragmentada e incompleta, pero funcionan. El mecanismo de configuración más frecuente es desde una memoria SPI. La grabación de un bitstream en dichas memorias se puede realizar muy rápido (6 segundos para una parte con 1k de elementos lógicos). Es posible configurar directamente la SRAM de la FPGA, pero esta opción no ofrece gran ventaja ya que la grabación de la memoria SPI es muy rápida. Finalmente soportan una configuración tipo OTP usando el protocolo SPI. La interconexión de estas partes es más simple que la usada por FPGAs de los grandes fabricantes. Debido a esto nos encontraremos que se gastan bastantes LUTs sólo para realizar interconexión.
Kits de desarrollo:Lattice ofrece al menos dos kits de desarrollo a precios muy convenientes: iCEstik y iCEblink. Adicionalmente hay varios kits disponibles en internet. El proyecto FPGA Libre diseñó una kit basado en la iCE40HX4K-TQ144, el mismo es open hardware y toda la información relacionada se puede encontrar acá: Kéfir I Herramientas propietarias:El iCEcube2 es la herramienta original para estas FPGAs. La síntesis es llevada a cabo por el Synplify Pro, que a pesar de sus ñañas es un herramienta de muy buena calidad. Los procesos de mapeo, place, route, análisis de tiempo y generación del bitstream son llevados a cabo por herramientas de Silicon Blue Technologies (SBT). La versión de 2017 para Linux es un download de alrededor de 379 MiB y ocupa aprox. 961 GiB. Su uso requiere de una licencia gratuita entregada por Lattice. Por lo que necesitaremos crear un usuario y tramitarla. Es necesario tener la licencia antes de instalarlo. La instalación para Linux consiste en descomprimir el tarball bajado y correr el binario extraido:
Luego aceptamos la licencia y elegimos un directorio de destino. Mi recomendación es instalarlo en /opt, pero con los permisos de un usuario, no como root (por ejemplo: /opt/iCEcube2.2017.01). Luego nos preguntará donde está el archivo de licencia e instalará los archivos. Para correrlo basta con ejecutar el binario que instala en el directorio de destino, por ejemplo: /opt/iCEcube2.2017.01/iCEcube2. Algunas cosas a tener en cuenta para la instalación de iCEcube2 (aportadas por Jesús Arroyo):
Este entorno soporta el desarrollo con VHDL y Verilog. La configuración de los dispositivos se realiza utilizando el Diamond Programmer. No es necesario descargar todo el entorno del Lattice Diamond, simplemente las herramientas de configuración (menos de 60 MiB). Nota: hay un RPM para descargar que se puede convertir a DEB con alien. Al menos para Linux es recomendable utilizar una herramienta alternativa al Diamond Programmer. Su funcionamiento es lento y poco confiable. La herramienta iceprog del proyecto IceStorm es muy simple de usar y muchísimo más rápida.
Herramientas libres:El proyecto IceStorm encabezado por Clifford Wolf se encargó de realizar ingeniería inversa de la arquitectura iCE40, encontrando así la manera de configurarlas. De esta manera, y uniendo varias herramientas de software libre fue posible crear un flujo completo. Estas son algunas de las herramientas involucradas:
Estas herramientas permiten desarrollar utilizando Verilog. Es importante destacar que las mismas se encuentra en desarrollo y que no todas las iCE40 están soportadas. Pero las herramientas mejoran día a día. Paquetes compilados para AMD64 y Debian estable, con versiones de octubre de 2016, se pueden descargar siguiendo estas instrucciones. El proyecto FPGAWars, impulsado por Juan Gonzalez-Gomez (aka Obijuan), Jesús Arroyo Torrens y Eladio Delgado, aporta varias cosas a este ecosistema:
Instalando las herramientas libres:Para usuarios de sistemas operativos Windows y similares se recomienda consultar el sitio de APIO que incluye versiones enlazadas estáticamente de IceStorm, Yosys, Arachne-pnr etc. Para usuarios de sistemas operativos basados en Debian GNU/Linux se puede utilizar el repositorio de FPGA Libre, el mismo posee paquetes Debian creados en octubre de 2016 enlazados con las bibliotecas dinámicas de Debian 8.6. El procedimiento es el siguiente:
A continuación se explica como instalar los distintos conjuntos de herramientas disponibles.
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