FPGAボード Shrike Liteをお試し

所感

FPGAとマイコンを1ボードに搭載

　Shrike LiteはマイコンとFPGAが搭載されたボードであり，
マイコンはRP2040（Raspberry Pi財団）が，FPGAはForgeFPGA SLG47910V（Renesas）が搭載されている．
　ちなみにRP2350を搭載するボードも開発中（こちらは名称にLiteが付かないみたい）のようである．

　筆者はFPGA側を使いたいので，その前提での解説になるが，コンフィグはRP2040で行うようなので，どのみちMCU側も触る必要がある．公式ドキュメントでは，MCU側のソフトウェアはMicroPythonか，Arduinoか，ラズベリーパイC SDKを使うことになっている．

RP2040なのでMicroPythonも

　FPGAとはあまり関係ないだろうが，ボードとしてはRP2040が載っているので，Raspberry Pi Pico同様に，MicroPythonを使った開発もサポートしているようである．（OSからドライブとして認識する．MicroPython実行環境をインストール後は，Pythonファイルをドラッグアンドドロップするだけで，起動すると思われ）

開発環境

　公式のドキュメントを見ると，それぞれ次の開発環境（IDE）が必要になる．

• ForgeFPGA：Go Configure Software Hub
• RP2040：Thonny IDE

ただし，RP2040用の開発環境については，公式サイトのドキュメントでもThonny IDE以外が使われている部分もある．（おそらくMicro Pythonとの組み合わせでThonny IDEを推奨していると思われる）

本稿では，RP2040用としては，Thonny IDEではなくArduino IDEを使う．
それぞれ取得してインストールする．

Shrike Liteでは電源ON時に，RP2040がForgeFPGAを設定（コンフィグレーション）する．
ビットストリームもRP2040のファームウェアも，ボード上のフラッシュ・メモリ25Q32（winbond)に書き込まれる．FPGAはリセット後（PoR）SPIスレーブモードになり，RP2040からSPIでコンフィグレーションされる．

ForgeFPGA SLG47910のコンフィグについて

以下，SLG47910 Datasheetより抜粋

コンフィギュレーションは3モードある

• 外部SPIフラッシュ（SPIマスタ・モード）
• MCUホスト（SPIスレーブ・モード）
• 内部1タイム・メモリ（OTPモード）

　SLG47910はビットストリームの保存に，384kビットを必要とするので，外部SPIフラッシュの使用が推奨されているようだ．
　Shrike Liteでは，SPIスレーブ・モードになっており，RP2040がMCUになる．コンフィグ関係のGPIO3，GPIO4，GPIO5，GPIO6はRP2040に接続されており，ボードのヘッダには出ていないので，OTP以外ではこのボードはRP2040からしかコンフィグできない．
　と，思いきやボード上にパッドがある！

基板上にパッドがある

　シルク印刷をよく見ると，上からCLK，SS，SI，SOと書いてある．

　基板上のパターンをたどると，これらの信号は次の通りである．

• GPIO3/SPI_CLK General Purpose IO or SPI Serial Clock
• GPIO4/SPI_SS General Purpose IO or SPI Slave Select
• GPIO5/SPI_SI General Purpose IO or SPI Serial Input
• GPIO6/SPI_SO General Purpose IO or SPI Serial Output/Config

Pin Information @ R19DS0120EU0105 Rev 1.05 p.9

コンフィグレーション・シーケンス

　電源起動（PoR）後に，nRSTが1になるとコンフィグレーション・モードに入り，次のシーケンスでコンフィグされる．

• Force load form OTP レジスタが Enable なら OTP から
• SPI_nSS(GPIO4) が H なら SPIマスタになり外部SPIフラッシュ から
• MCUから

コンフィグレーションされると FPGA_CORE_READY が H になる．
FPGA_CORE_READY は FUNC_MODE に入る前に H になるので，ユーザロジックのリセット信号として利用できる．
Configuration Mode（コンフィグレーション・モード）が正常に完了すると， Functional Mode に入る．

ForgeFPGA SLG47910の電源について

以下，SLG47910 Datasheetより抜粋

　次のnSLEEP信号によってリテンション・モード（スリープ）に移行する．

• nSLEEP signal source registe = 0の場合：EN = 0
• nSLEEP signal source registe = 1の場合：INT_FPGA_SLEEP = 1

　リテンション・モードでは，ユーザ・ロジックは停止されクロックはFPGAコアに供給されない．OSCとPLLもOFFになる．
FPGAコアとBRAMの内容は保持される．GPIOはリテンション・モードへの移行前の状態を保持する．

　nSLEEP signal source registeの値に関係なく，ENピンの立ち上がりが検出されると再びFUNCTIONALモードに戻る．
　このときコンフィグレーションは不要で，FPGAコアおよびBRAMの内部状態は復元される．ユーザ・ロジックも引き続き動作する．EN (nSLEEP)の最低パルス期間は，FUNCTIONALモードでOSCがONの場合は45µsで，OSCがOFFの場合は300µsである．

　Shrike LiteではENピンはRP2040のGPIO 13に接続されているようである．これはボードのピンヘッダには引き出されていないため，RP2040のソフトウェアから制御するしかない．

ForgeFPGAのI/Oバッファ

　GPIOは4つのレジスタを持っている（2x_PullUp_En，1x_PullUp_En，OpenDrain_En，2x_Buffer_En）．
　各GPIOピンは次のどれかに設定される．

• 入力
• 出力，1x Drive Push-pull
• 出力，2x Drive Push-pull
• 出力，1x Drive Open-drain
• 出力，2x Drive Open-drain

　GPIOの入出力はRTLコードから動的に変更できる．
　出力設定とプルアップ設定はコンフィグレーションされた後に動的変更できない．

開発環境1：RP2040の開発に使うArduino IDE

開発環境の準備

準備1：RP2040用ライブラリ追加

　Arduino IDEをインストールしたら，メニューの「File」－「Preference」で設定ダイアログを開き，Additional Board Managerに次のURLを追加する．
https://github.com/earlephilhower/arduino-pico/releases/download/global/package_rp2040_index.json

　そして，「Tool」－「Board」－「BoardManager」をクリックし，Raspberry Pi Pico/RP2040/RP2350をインストールする．

ライブラリインストールでタイムアウトの問題が発生する場合は ここを参照

準備2：ビットストリーム保存用ライブラリLittleFS追加

　ビットストリームをボード上のフラッシュ・メモリに転送するために，LittleFSというライブラリを利用する．

https://github.com/earlephilhower/arduino-pico-littlefs-plugin/releases/
からZipファイルをダウンロードし，Arduino IDEに登録する

　Arduino IDEのメニューにある 「Add .zip library」 では登録できない．しかも，Arduino IDEのバージョン1と2では，PicoLittleFSの登録方法が違うらしい

　Arduino IDE2系の場合，LittleFSは ここからVSIXファイル をダウンロードする（1系でも出来そうだが試してない）．

Arduinoのプラグイン置き場は，Windowsの場合，デフォルトならこの辺り．.arduinoIDE\に Plugins フォルダがなければ作る．
C:\Users\＜username＞\.arduinoIDE\
ダウンロードしたVSIXファイルを， Plugins に設置する．

LittleFS設定方法の参考サイト

インストールできたか確認

　Arduino IDEを再起動し，次の通り，Little FSのメニューが表示されることを確認する．
「Ctrl] + [Shift] + [P」を押して開くコマンド・パレットの中に Upload Little FS to Pico/ESP8266/ESP32 が表示されればOK（後ほど，このコマンドを使ってビットストリームを転送する）

準備3：Shrikeライブラリ追加

　Arduino IDEの LIBRALY MANAGERで Shrike を検索し，表示されるものをインストールする．
　Shrike Flash Library というものも表示されるが，ここではインストールしない．

動かす手順

手順1：Arduinoプロジェクトを作る

　メニューから「File」－「Examples」－「Shrike」－「Shrike Flash」をクリックすると，exampleプロジェクトShrike Flashが開くので，「File」－「Save」とクリックし，任意の場所に保存する．

手順2：ビットストリームの設置と転送

　上記で保存したプロジェクトのフォルダの中に， data というフォルダを作り，ビットストリームを配置する．
　Shrike Liteボード上にあるBootボタンを押したままUSBケーブルでボードをPCに接続する．
この状態で，Ctrl＋Shift＋Pを押し，コマンドパレットを開く
ここで，Upload：LittleFS to Pico/ESP8226/ESP32 を実行することで， data フォルダに入れておいたビットストリームがShrike Liteに書き込まれる．

差し当って，公式から提供されている led_blink.bin を試すのがよい（ボード上の青LEDが点滅する）．
　独自のビットストリームを生成する方法は，本稿後半で触れる．

手順3：RP2040ファームウェア書き込み

　Shrike Lite上のForgeFPGAは，SPIスレーブモード（MCUモード）でコンフィグされるようにRP2040に接続されている．従って，ForgeFPGAをコンフィグレーションするファームウェアをRP2040に書き込む必要がある．
そのためのCソースコード（プログラム）は，Shrike flash プロジェクトを開いた段階で既に設定されているので，コンパイルするだけである（プログラム中にビットストリームのファイル名がハードコートされているので，正しいファイル名に適宜変更する）．

　ボードに書き込む前に，Arduino IDEの「Tool」メニューからBoardをGeneric RP2040に設定する．すると，自動で次の項目が設定される．

• Flash Size：4MB（Sketch:2MB，FS:2MB)
• CPU Speed：133Mhz

　Cソースコードの内容は，ほぼExampleのShrike flashのままでよいが，ビットストリームのファイル名は，実際に使うものに合わせて編集する（ shrike.flash() 関数の引数 ）

「→」書き込みボタンを押してコンパイルおよびファームウェアを書き込む

　これで，転送しておいたビットストリームでFPGAがコンフィグされ，動作するようになる．
　RP2040のファームウェアにはUARTが仕込まれており，ファームウェアの起動からコンフィグまでの各フェーズでメッセージが出るので，うまく動かない場合はUARTメッセージで状況を確認できる．

開発環境2：FPGAデザインの開発用Go Configure Software Hub

　独自のデザインをFPGAで動かすためには，ルネサス純正の開発環境Go Configure を使う．
ダウンロードにはアカウント登録が必要
https://www.renesas.com/ja/software-tool/go-configure-software-hub#downloads

Go Configure Software HubはForgeFPGA用に，ルネサスから無償で提供されている開発環境
Debina，Ubuntu，Windows，MacOS用が用意されている．

開発の流れ

ForgeFPGAを動かすには，動作を示すビット・ストリームを作りボードに書き込む．
開発ツールを準備できたら，開発環境上（Go Configure）で所望のデザインを作り，それをツールの機能を使って合成する．次にツールの機能で配置配線を行う．
そして，出来上がったビット・ストリームをボードに書き込む

まずLチカしてみる

　まず，一連の手順を確かめるために，Lチカのデザインを作る．

Go Configure Hubを起動したら，ウィンドウ左側から「Develop」－「Forge FPGA」をクリック
　一覧表からSLG47910をダブルクリック
（新規でプロジェクトを作る代わりに，画面右下のフォルダボタンをクリックし，GitHubリポジトリにあるled blinkプロジェクトを開くだけでもよい）
　ダイアログが開いたら，プロジェクト名と保存場所を入力する

「Properties」ボタンをクリックするとチップの設定を変更できる．次の通り設定する．

（「Properties」ボタンをクリックしなくても，新規プロジェクトの場合，自動でポップアップする）

RTL入力

　画面中央にある「FPGA Core」と書かれた青い四角をダブルクリックすると，デザインの入力ウィンドウが出る（Verilogコードを入力できる）

　main.v にコードを入力したら，画面左下の「Synthesize」ボタンをクリックすると合成される

配置配線

　物理制約を設定するために，「I/O Planner」ボタンをクリックする

トップモジュールに設定したI/Oポートを物理的なピンに割り当てる．
このためのGUIツールが用意されており，所望の物理ピンに対応するコンボボックスで，Verilog上のピン名を選ぶだけである．Synthesizeすることで，自動でVerilog上で定義されたI/Oポートがコンボボックスに表示される．便利．
Lチカのデザインでは次の通り設定する．（ FUNCTION にFPGAチップのピンがリストアップされている． PORT にはVerilog上で定義したI/Oポートが表示されている）

　Lチカのデザインとは関係ないが，参考として元のRTLコードに対して，LED2 を足したVerilogコードを次に示す（合成系はYosysらしい，未確認だが通常のYosysで合成したネットリストもForgeFPGAで使えるらしい）．

　これをSynthesizeしてI/O Plannerを開くと，コンボボックスに LED2 が追加されている．

　話をLチカのデザインに戻す．I/Oを全て設定したら左下の「Generate Bitstream」ボタンをクリックする．

　ビットストリームのファイル名は，
FPGA_bitstream_MCU.bin
として出力される．
出来たビットストームファイルを，前述の通り data フォルダに設置し，Little FSでボードに転送する．
　このデザインでは，ボード上の青いLEDが1秒間隔で点滅する．

　公式リポジトリには，Lチカ以外にも，Exampleデザインが色々と揃っている．

◇参考文献◇
（1）Shrike FPGA Bitstream Generation Guide
https://vicharak-in.github.io/shrike/generating_your_first_bitstream.html
（2）SLG47910（データシート）
https://www.renesas.com/en/products/slg47910
（3）写真
https://fpga.tokyo/vicharak-shrike-lite/
（4）公式リポジトリ
https://github.com/vicharak-in/shrike/tree/main/examples
（5）Verilog Style Guide for Shrike
https://vicharak-in.github.io/shrike/verilog_style_guide.html