「作ろう! CPU」を中華FPGAで動かすまで

1. 背景

非情報系出身なのに低レイヤの知識を要する業務が多い。どこかで勉強しようということで、こちらの書籍を購入。

内容は初学者にもわかりやすく、大変気に入っている。(経験者には物足りない内容なのかもしれない。)
サポートページによると、推奨されているFPGAボードは軒並み1万円超えで、挫折するリスクを考えると少し怖い。
そこで、アリエクで下記のボードを購入した。

当時の価格で5000円くらい。
ボード本体にI/Oインターフェースがそれなりに付いているので、これ単体で色々遊べるのかな？と思いこちらにした。

買ったはいいものの、日本語での情報が少なく、こちらもかなり苦戦した。動かすまでの手順をまとめておく。

2. 環境

• PC: Ubuntu 20.04.3 LTS (64bit)
• Board: 上記Aliexpressのリンク
  • Altera Cyclone iv ep4ce6

3. 手順

3.1 開発環境の準備

FPGAではボードに合わせて開発環境のソフトを選択する必要があるらしい。
今回のボードでは、IntelのQuartusを用いる。
下記サイトから、無料のLite版をダウンロードし、適切な場所に解凍する。

intelFPGA_lite/{version}/quartus/binの配下のquartusが実行ファイルになっている。

3.2 USB Blasterの準備

ここが少しはまったところ。こちらのページが参考になった。
USB Blasterを使用するには、/etc/udev/rules.d/51-usbblaster.rulesを作成し、下記の内容を記載する必要があるとのこと。

SUBSYSTEM=="usb", ATTR{idVendor}=="09fb", ATTR{idProduct}=="6001", MODE="0666"
SUBSYSTEM=="usb", ATTR{idVendor}=="09fb", ATTR{idProduct}=="6002", MODE="0666"
SUBSYSTEM=="usb", ATTR{idVendor}=="09fb", ATTR{idProduct}=="6003", MODE="0666"

PC, USB Blaster, FPGAボードの接続は下記の順番

1. FPGAボードとPCを接続(ボードに給電を開始する)
2. FPGAボードとUSB Blasterを接続
3. USB BlasterをPCに接続

quartusを起動する前にintelFPGA_lite/{version}/quartus/bin/jtagconfigを実行し、下記のように表示されればOK。

1) USB-Blaster [1-7]
  020F10DD   10CL006(Y|Z)/10CL010(Y|Z)/..

逆に、下記のようなエラーメッセージが表示される場合はPCを再起動するなどして複数回試してみる。

1) USB-Blaster [1-7]
Unable to read device chain - JTAG chain broken

3.3 Quartus上での操作

ここからは下記の動画が参考になった。

1. プロジェクトの作成

   1. New Project Wizardを選択
   2. [Introduction] Next>
   3. [Directory, Name, Top-Level Entity] 適切なプロジェクトフォルダ、プロジェクト名を記載し、Next>
   4. [Project Type] Empty projectを記載し、Next>
   5. [Add Files] Next>
   6. **[Family, Device & Board Settings]**下記を設定し、Next>
   • Family: Cyclone IV E
   • Available devices: EP4CE6E22C8
   1. [EDA Tool Settings] Next>

2. コードを記載

   1. New -> SystemVerilog HDL Fileを選択
   2. 書籍のコードを記載し、*.svで保存

3. ピンの割当

   1. Assignments -> Pin Planner
   2. Node Nameにコード中のin/out名、Locationにピン番号を割り当てる
   3. ピン番号は、Aliexpressのページに記載がある(FPGA_CLKが23番、など)

4. コンパイル

   1. Processing->Start Compilation
   2. エラーメッセージが出ていないことを確認

5. ボードへの書き込み

   1. Tools->Programmer
   2. Hardware SetupでUSB Blasterを選択
   3. Add Fileで出来上がった*.sofファイルを選択
   4. Startを押下

以上の手順で、書籍中のLチカおよび、TD4によるキッチンタイマーの実装が動作することを確認した。

4. 所感

とりあえず動かすところまでの流れをざっと記載した。
設定はあまり理解できておらず、どの設定がどのように効くのかはちょっとずつ調べていきたい。