はじめに

最近Tang Nano 4Kと言う安価なFPGAボードがあることを知り、買ってみた。
カメラの映像をHDMIに出力できるらしい。

個人的にまだFPGAは使ったことが無いが、
既に先輩方が色々やられている記事を参考に、自身の環境（iMac）を構築し、Lチカしてみた。

特に今回はインストールするIDEのバージョンがシビアだったので、今後のために記録しておく。

Sipeed Tang Nano 4K

カメラとHDMI出力つきのFPGAボード

GOWIN GW1NSR-LV4C FPGA with 4608 LUT
Arm Cortex-M3
Tang Nanoと言うものがあるが、それのアップグレード版
etc.

（FPGAについては簡単にググって調べて得た程度の知識しかないので、説明は他の方にお任せします）

開発環境

Tang Nano 4Kの開発環境は、WindowsかLinux向けにしか提供されていない。
今回は、MacにVagrant & VirtualBoxでUbuntuをインストールして使う。

iMac 2020
- Mac OS Catalina 10.15.7
IDE
- GOWIN EDA on VirtualBox(Ubuntu)

必要なものをインストール

1. VirtualBoxのインストール

nabeshin@iMacNabeshin vagrant % brew install virtualbox

2. Vagrantのインストール

nabeshin@iMacNabeshin vagrant % brew install vagrant
Updating Homebrew...

...

==> Installing Cask vagrant
==> Running installer for vagrant; your password may be necessary.
Package installers may write to any location; options such as `--appdir` are ignored.
Password:
installer: Package name is Vagrant
installer: Installing at base path /
installer: The install was successful.
🍺  vagrant was successfully installed!
nabeshin@iMacNabeshin vagrant % vagrant -v
Vagrant 2.2.18
nabeshin@iMacNabeshin vagrant %

3. Ubuntuのインストール

virtualBoxにLinuxをインストールする。
基本的にLinuxであれば何とかなる筈なので、以下の中から好きに選択すれば良い。

自分はubuntu/trusty64にした。

nabeshin@iMacNabeshin vagrant % vagrant init ubuntu/trusty64
A `Vagrantfile` has been placed in this directory. You are now
ready to `vagrant up` your first virtual environment! Please read
the comments in the Vagrantfile as well as documentation on
`vagrantup.com` for more information on using Vagrant.
nabeshin@iMacNabeshin vagrant % ls
Vagrantfile

Vagrantfile から以下のコメントアウトをはずす。

nabeshin@iMacNabeshin vagrant % vi Vagrantfile              

...

  # Create a private network, which allows host-only access to the machine
  # using a specific IP.
  config.vm.network "private_network", ip: "192.168.33.10"

...

Ubutuの起動＆ログイン

nabeshin@iMacNabeshin vagrant % vagrant up
nabeshin@iMacNabeshin vagrant % vagrant ssh
Welcome to Ubuntu 14.04.6 LTS (GNU/Linux 3.13.0-170-generic x86_64)

...

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ id
uid=1000(vagrant) gid=1000(vagrant) groups=1000(vagrant)
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$

4. GOWIN EDA のインストール

執筆時点での最新版はV1.9.8だが、これはTang Nano 4Kでは使えないので注意！！

最初、全くボードと通信できなくてVirtualBoxの設定からUbuntuの設定から色々調べたがダメ。。。
アプリのバージョンを古くしたら通信出来ることが分かったが、Tang Nano 4Kのボード設定が入ってなかったり、
いくつかバージョンを試した結果、これがOKだった。
（自分はこれにハマり、、、買ってからLチカできるようになるまで、2,3日かかった・・・・）

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ pwd
/home/vagrant
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ mkdir gowin
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ cd gowin/
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$ wget https://cdn.gowinsemi.com.cn/Gowin_V1.9.5Beta_linux.tar.gz
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$ gunzip ./Gowin_V1.9.5Beta_linux.tar.gz 
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$ tar xvf ./Gowin_V1.9.5Beta_linux.tar
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$ ls -l
total 1380388
-rw-rw-r--  1 vagrant vagrant 1413498880 Mar 31  2020 Gowin_V1.9.5Beta_linux.tar
drwxr-xr-x 10 vagrant vagrant       4096 Jan 17  2020 IDE
drwxr-xr-x  3 vagrant vagrant       4096 Mar 31  2020 Programmer
drwxr-xr-x  8 vagrant vagrant       4096 Mar  9  2020 SynplifyPro
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$

.bashrcにライセンスサーバの設定を追加。

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ vi ~/.bashrc 

...

# ------------------------
# Gowin License Server
export LM_LICENSE_FILE=27020@45.33.107.56
export PATH=/home/vagrant/gowin/IDE/bin:$PATH

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ source .bashrc

5. X Serverのインストール

UbuntuにX Serverをインストールする。

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ sudo apt-get update
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ sudo apt-get -y install xserver-xorg

6. xquartzのインストール

こちらの記事を参考にMacにxquartzをインストールする。
- X11 ForwardingしてMacにGUI表示する
インストールしたら再ログインまたは再起動。

nabeshin@iMacNabeshin ~ % brew install xquartz

gw_ideのライセンス設定

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ gw_ide

gw_ideで以下のIDEが起動する。

初回はライセンス情報の入力が求められる。
- Use Floating License Server で、Serverに45.33.107.56, Portに10559を入力。
- 入力後、gw_ideを再起動すると以降は入力を求められずに起動できるようになる。
また、cannot connect to X serverが出る場合、xquartzの準備ができてない。
再ログイン、再起動なりして、以下の環境設定ができてることを確認する。

nabeshin@iMacNabeshin vagrant % echo $DISPLAY
/private/tmp/com.apple.launchd.KwU938ZDOO/org.xquartz:0

USBデバイスの認識

VirtualBoxでUSB 2,3 デバイスを使用するには、virtualbox-extension-packをインストールしておく必要がある。

nabeshin@iMacNabeshin ~ % brew install virtualbox-extension-pack

Tang Nano 4KをUSB接続した状態で、Virtual Boxを起動し、以下の設定画面でSiPEED JTAG Debuggerをフィルタに追加する。

VirtualBox側でUSBデバイスとしてこんな感じで認識されればOK。

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$ lsusb
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub
Bus 001 Device 002: ID 0403:6010 Future Technology Devices International, Ltd FT2232C Dual USB-UART/FIFO IC
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$ ls -l /dev/*USB*
crw-rw---- 1 root dialout 188, 0 Oct 24 07:17 /dev/ttyUSB0
crw-rw---- 1 root dialout 188, 1 Oct 24 07:17 /dev/ttyUSB1
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$

Tang Nano 4K との通信

programmer_cliでボード情報を取得できるか確認。

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin$ cd Programmer/bin/
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin/Programmer/bin$ sudo ./programmer_cli --scan
 Scanning!
Current download-cable channel:0
Device Info:
 	Family: GW1NSER  
	Name: GW1NSER-4C  
	ID: 0x0100981B  
 1 device(s) found!
 Cost 0.59 second(s)
  
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~/gowin/Programmer/bin$

sudoつけないとデバイスの参照権限がなくてError: Error found!になる。
- @ciniml さんがudevの設定方法を記載してくれている。
- 残念ながら自分の環境では、なぜか上手く行かないので後でゆっくり調べよう。。
インストールしてるアプリのバージョンが違うとCable Open Failedになって情報が取得できない。
- Programmerのバージョンによっては全然応答が返らなかったりする。
- Gowin_V1.9.5Betaにすると解決するかも知れない。

Lチカコードの書き込み

公式のGitHubリポジトリからサンプルコードを入手し、書き込んでみる。

vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ sudo apt-get install git
vagrant@vagrant-ubuntu-trusty-64:~$ git clone https://github.com/sipeed/TangNano-4K-example.git

gw_ideを起動し、ダウンロードしたサンプルコードを開く。
- $ sudo gw_ide
- ボードへの書き込み権限が必要なので、一旦sudo付きで。（本当は綺麗に解決したい）
- ボードの設定は、GW1NSR-LV4CQN48PC6/I5

Processタブを開いて、ビルド。
- Synthesizeを右クリックして、clean, run
- Place & Routeを右クリックして、clean, run

右上のツールバーのアイコンをクリックし、Programmerを起動
- Cable Settingで、Frequencyを2.5MHzに変更

書き込み
- デフォルトだと書き込み先はSRAMになってる。
- ツールバー右上のアイコンをクリックすると書き込み開始。
- インジケータが表示されて、10秒くらいで書き込みが終了し、Lチカが始まる。

Lチカ

きたー！
Tang Nano 4K ついに書き込めた。
結局、IDEをV1.9.5Betaにしたら行けました。
Lチカ出来てこんなに嬉しいなんて。。。 pic.twitter.com/yaeDopsCQ6
— Nabeshin (@desmoquattro996) October 23, 2021

まとめ

結構ハマったが、約2000円でFPGAの開発環境が手に入りました。
IDEで回路実装したり色々できるみたいなので、サンプルコードをいじりながら色々試してみようと思います。

参考資料