iCE40-HX8K（FPGA）でRISC-Vシステムを動かしてみた

背景

iCE40-HX8Kとは、Lattice社が製造販売しているFPGA（回路をプログラムのように合成できるハードウェア）です。
RISC-Vとは、CPUなどで使われるオープンソースの命令セットです。

iCE40-HX8KでRISC-Vシステムを動かすicicleというプロジェクトを見つけたので、動かしてみました。備忘録を兼ねて、実現手順や動作内容を共有します。

使ったもの

icestormが使えるPC

icestormとは、iCE40系のFPGAの回路を合成できる、オープンソースのプログラムです。
この記事ではUbuntu18.04にicestormをインストールして動作を確認しました。
環境構築手順は、icestormのインストール手順や自分が書いた過去の記事（iCE40向けにIceStormで回路を合成してLEDを点滅させてみた）が参考になると思います。

iCE40-HX8K Breakout Board

LatticeのiCE40-HX8KというFPGAが載っているボードです。
Latticeのオンラインストアで購入できます。

iCE40-HX8K Breakout Board

icicleのコード

iCE40-HX8Kなどで動かせる、32bit RISC-Vシステムです。

grahamedgecombe/icicle | 32-bit RISC-V system on chip for iCE40 FPGAs

後ほど（「icicleを実行」で）ダウンロードとビルド方法を説明します。

RISC-Vの開発環境を構築

icicleのコードでRISC-VのCPUをFPGAで動かすには、icestormで合成する回路だけでなく、その環境で動かすプログラムが必要です。
記事を書いている時点では、icicleはriscv64-unknown-elf-gccというコンパイラを利用して、プログラムをCPUで実行可能なようにコンパイルしていました。
（Makefileに記述されていて、makeコマンド事項すると呼び出されます。）

riscv-gnu-toolchainのREADMEを参考にしながら、下記のようなコマンドを実行すると riscv64-unknown-elf-gcc が使えるようになります。
cloneに1時間くらい、ビルドに数時間かかるので、電波や電源が安定している環境で行うのが良いと思います。
このコマンドは ~/gitprojectsディレクトリにriscv-gnu-toolchainをダウンロードして、ビルドしています。

sudo apt install -y git autoconf automake autotools-dev curl libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev libexpat-dev
mkdir -p ~/gitprojects
cd ~/gitprojects
git clone --recursive https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain
cd riscv-gnu-toolchain
./configure --prefix=/opt/riscv
sudo mkdir -p /opt/riscv
sudo chown $USER:$USER /opt/riscv
make
echo '# riscv
export PATH=$PATH:/opt/riscv/bin
' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

icicleを実行

icestormとriscv64-unknown-elf-gccがPCにインストールできれば、下記のようなコマンドでicicleをビルドできます。
このコマンドは~/gitprojectsディレクトリにicicleをダウンロードしてビルドしています。

cd ~/gitprojects
git clone https://github.com/grahamedgecombe/icicle.git
cd icicle
make

PCにHX8K Breakout Boardを接続して下記のコマンドを実行すれば、回路とプログラムをFPGAボードに転送して、FPGAがrisc-vとして動作します。

cd ~/gitprojects/icicle
make flush

動作確認

確認内容

icicleのREADMEによると、記事を書いている時点では、メモリ操作でUARTとLEDの点灯ができるとのことでした。

それらの動作を確認してみます。

シリアル通信の内容を確認

メモリの値を書き換えるプログラム（progmem.c）を見ると、ボードレート9600bpsで1秒ごとに「Hello, workd!」と表示するようになっています。

screenを使う場合は、下記のコマンドでシリアルモニタを開けます。

screen [dev/ttyUSB0などポートのパス]

screenは「Ctrl + a」 -> 「k」 -> 「y」 -> エンター で終われます。

個人的にscreenはあまり使い勝手が良くないと思うので、ArduinoIDEやPlatformIOをPCにインストールしているのであれば、そちらのシリアルモニタで確認するのが良いと思います。

FPGAボードをPCに接続して、表れたポートに9600bpsでシリアル接続すると一定時間ごとに「Hello, world!」と表示されました。

LEDの光り方を確認

メモリの値を書き換えるプログラム（progmem.c）でLEDを0xAA（2進数だと10101010）と点灯させる記述があるため、LEDがそのように点灯しました。

まとめ

iCE-HX8Kが載ったボードで、RISC-Vシステムを動かせました。
オープンソースの開発環境でCPUの回路設計からプログラムのビルドまでできるので、気になった部分を深堀出来るのが個人的に嬉しいです。

何かの参考になれば嬉しいです。