La nouvelle vient de tomber sur la liste de diffusion: la version 1.1 de cocotb est sortie. C’est une grande nouvelle pour cette librairie python de cosimulation HDL. En effet, elle était bloquée dans sa version 1.0 depuis plus de 4 ans maintenant.

Mais les deux principaux mainteneurs travaillaient sur d’autres sujets et ne trouvaient plus le temps de s’occuper de ce projet. Malgré la communauté d’utilisateurs grossissante, les correctifs et les propositions d’améliorations restaient jusqu’ici lettre morte faute de temps pour eux de les relire.

Cette annonce de sortie d’une nouvelle version permet surtout au logiciel de sortir de sa torpeur. Les principaux développeur du projet ont réussi à s’organiser pour déléguer le développement et entrer dans un cycle vertueux de vérification/release.

Nous allons enfin pouvoir sérieusement écrire nos banc de tests en python et oublier les usines à gaz que sont UVM, UVVM et consorts. Tout en gardant notre logiciel de simulation HDL préféré, c’est toute la magie de la cosimulation.

• la version 1 .1 de cocotb sur github

En matière de liberté le monde du FPGA est resté dans les années 90. Une époque obscure où l’on cachait le mode de fonctionnement des logiciels, où il fallait signer des accords de non divulgation (NDA) avant de pouvoir simplement utiliser un logiciel. Une époque où l’on croyait encore que la sécurité par l’obfuscation était le summum de l’état de l’art pour sécuriser et protéger son logiciel et ses données. Mais il est possible que les nouvelles de sorties de nouveaux logiciels libre de fin d’année 2018 changent la donne.

Un FPGA est littéralement un champs de portes programmable. Le paysan-développeur ensemence son champs avec un fichier nommé «bitstream». Ce bitstream permet de configurer les liens entre les différentes portes logiques du FPGA et constituer ainsi un circuit électronique (numérique).

C’est ce fichier qui n’est documenté par aucun fabricant de FPGA.

Jusqu’à très récemment pour ses semailles, le développeur devait passer par le logiciel fourni par le fabricant pour générer son bitstream. À chaque modèle un logiciel spécifique, avec tous les défauts inhérent aux logiciels fermés :

• Obligé d’utiliser un ordinateur et un système d’exploitation supporté officiellement par le fabricant (impossible de générer le bitstream sur un système embarqué ARM par exemple).
• Grande difficulté à gérer les bugs du logiciels (et les bugs c’est vraiment pas ça qui manque)
• Support aléatoire
• Obligé de payer une licence pour les «gros» FPGA
• Licence Gratuite pour les petits FPGA mais un système de gestion de ladite licence obligeant à être fliqué par le fabricant (serveur de gestion de licence, obligation d’identification, collectes de données personnelles, …) .

L’argument principale des fabricants est qu’ils risquent de perdre toutes crédibilités en matière de sécurité auprès des clients militaires. Et qu’ils risquent d’être plus facilement copié par les chinois (Même s’ils y a déjà des copies fabriquées en chine). Il a pourtant été démontré depuis longtemps qu’il est tout à fait possible de faire le reverse-engineering des bitstream. C’est notamment ce qu’avait fait en 2008 Jean-Baptiste Note et Éric Rannaud avec debit pour les FPGA de Xilinx. Mais c’est surtout ce qu’a fait Wolf Clifford en 2015 avec Icestorm pour servir notamment à son logiciel de synthèse Yosys en utilisant une plate-forme réel : les ice40 de Lattice.

Ce «déverrouillage» des ice40 a permis une véritable révolution dans le domaine du FPGA chez les bidouilleurs. Beaucoup de cartes électroniques utilisant un ice40 on vu le jours, et le projet à fédéré tout un tas de nouveau projet de logiciels libre.

À l’origine, icestorm permettait de faire la synthèse avec yosys (transformer du verilog en netlist), le placement routage avec arachne-pnr (placer les différentes portes dans le FPGA et les relier entre elles) ainsi que la génération du bitstream avec icestorm (icepack).

Un fois le bitstream généré il est nécessaire de vérifier que les temps de propagation entre les différentes portes soient inférieur au cycle d’horloge. Il est donc nécessaire de posséder la spécification des temps de propagation entre les portes dans le FGPA. Chose qui a également été faite dans le projet Icestorm (icetime).

Le problème qui persistait avec cette chaîne de développement était arachne-pnr qui ne prenait pas en compte les timings du FPGA pour faire son placement routage. C’est ce verrou qui vient de sauter fin 2018 avec la sortie du nouveau logiciel de placement routage nextpnr initié par Clifford mais fédérant une communauté de développeurs de plus en plus grosse.

En plus de faire du placement routage en fonction des temps de propagations, nextpnr possède une interface graphique permettant une visualisation du FPGA une fois le projet routé.

Tous ces outils sont désormais regroupés dans un projet opensource ayant pour objectif de réaliser un IDE complet pour les FPGA et nommé SymbiFlow.

Le projet SymbiFlow a pour objectif de devenir le «GCC du FPGA et des ASIC». En plus de icestorm, SymbiFlow intègre d’autres projets de «reverse-bitstream», notamment:

• icestorm: déjà longuement décrit dans cet article, permet de faire un développement complet avec des outils opensource.
• X-Ray: Projet de rétro-ingénierie des FPGA de la série 7 de xilinx. Les «tuiles standard» de ces FPGA sont déjà bien documenté et il est possible de générer un bitstream pour des Artix 7.
• Trellis: Projet de rétro-ingénierie des FPGA ECP5 de Lattice. Toute la matrice a été documenté, et il est désormais possible de faire un projet pour ECP5 de bout en bout avec des outils open-source.
• 2064: Projet de rétro-ingénierie des FPGA XC2064 de xilinx. Bon ce projet peut être considéré comme annecdotique puisque il vise à reverser le premier fpga de Xilinx du début des années 80 : le xc2064.

Le projet SymbiFlow est un projet encore «en travaux» mais il permet de tracer une voie et fournir des outils permettant de faire la retro-ingénierie d’autres FPGA. Comme on le voit dans les différents projets intégrés il est possible de voir fleurir d’autre projets de retro-ingénierie de FPGA et voir émerger une solution opensource solide pour développer sur FPGA.

L’année 2018 s’est terminée en fanfare avec la présentation de nextpnr au 35c3. L’année 2019 sera-t-elle celle de la libération des FPGA avec une fédération des projets de rétro-ingénierie de tous les FPGA du Marché ? Un fabricant de FPGA osera-t-il publier la documentation des ses bitstream pour ses FPGA ? Vera-t-on l’émergence de nouveaux acteur du FPGA faisant du libre ?

Vous saurez tous cela en suivant le prochain épisode de l’année 2019 !

2018 aura été l’année du Risc-V. Ce jeux d’instructions libre existait bien sûr avant 2018 puisqu’il a été fondé en 2010, mais c’est véritablement en 2018 qu’il aura pris son envol.

Entendons nous bien, le Risc-V pour Reduced Instructions Set Computing version V n’est pas un microprocesseur. C’est une définition du jeux d’instructions ainsi que des registres internes du processeur. Bref cela doit être vu comme une standardisation open-source du langage d’un processeur. Libre aux fondeurs de développer leurs architectures de processeur compatible Risc-V. Il définit les instructions assembleur et leurs formats (encodage) mais il ne définit pas le nombre d’étages de pipelines, comment est géré la prédiction de branche ni le format de bus de données et d’instructions. Tout cela relève de l’implémentation.

Cette standardisation du jeux d’instructions intéresse beaucoup de créateurs de microprocesseurs. En effet, plus besoin d’adapter ou d’écrire les outils logiciels pour son processeur; comme c’est un standard il suffit d’utiliser les «toolchains» classique comme GCC OpenOCD ou LLVM qui bien sûr l’intègre désormais, mais également toutes une série d’outils non libres. Linux n’est pas en reste puisqu’il intègre complètement l’architecture dans ses versions récente. C’est également le cas des petits OS temps réel comme Zephyr .

C’est, entre autre, cette disponibilité des outils qui a poussé de nombreux labo à basculer leurs processeurs sur ce jeux d’instructions. On pense notamment à :

• PULP (Parallel Ultra Low Power ): Une architecture multi-core pour l’embarqué développé par l’université de Zurich. Utilisé par les processeur GAP8.
• Patmos: le processeur temps réel
• Shakti: De l’université indienne de madras
• …: certainement plein d’autre

Il existe une tripotée de processeur Risc-V «soft» que l’on peut synthétiser dans des FPGA. Mais, à ma connaissance, le premier composant silicium sortie des chaînes de fabrication de fondeurs est le E310 de la société SiFive. Ce composant est sorti en 2017 et il est possible d’acheter un kit de développement «compatible arduino» pour se faire la main dessus.
Le E310 est un microcontrôleur 32bits, qui a fait un peu parler de lui quand il est sorti mais qui reste un démonstrateur. La société SiFive souhaitant rester une entreprise «fabless».

Mais c’est véritablement en 2018 que les choses se sont accélérées avec le ralliement de grands noms de l’industrie électronique à la fondation Risc-V et la sortie de nombreux processeurs «en silicium» bien concret.

On pensera notamment à:

• U540: Hifive Unleashed de la société SiFive (encore ;). Un quad core RV64G plus un core RV64I pour la supervision temps réel. SiFive à sortie un kit de développement permettant d’y faire tourner un Linux compatible desktop.
• GAP8: de greenwave technologie, un processeur PULP de 8 cores pour l’IoT.
• K210: de Kendryte, un microcontrôleur chinois dual core RV64I
• RV32M1: de NXP (hé oui ! j’en suis le premier étonné) un microcontrôleur très spécial puisqu’il contient un core RV32I mais également deux cores ARM cortex-M0 et M4. Il ne manque plus que le MIPS pour avoir un beau pot-pourri des proc RISC du marché 😉

Toutes ces sorties ont commencées à faire très peur aux concurrents, et notamment à son concurrent principale : ARM. Qui a tenté une campagne de dénigrement de Risc-V avant de très vite se raviser et de lancer une timide «riposte» avec un partenariat Xilinx pour fournir gratuitement des cortex-Mx dans les FPGA de Xilinx.

Mais Risc-V a également fait bouger l’autre concurrent beaucoup moins connu : MIPS qui lui a … libéré son set d’instructions !

Risc-V reste pour l’instant dans le domaine de l’embarqué et du microcontrôleur, mais la fondation a clairement l’intention de couvrir les domaines des calculateurs et autres mainframes. Domaine où MIPS est déjà un peu plus installé.

Risc-V arrivera-t-il à gagner la bataille des supercalculateurs ? ARM adoptera-t-elle le set d’instructions Risc-V ? Intel sentira-t-il le roussi quand Risc-V viendra le titiller sur ses plate-bandes ? MIPS reviendra-t-il dans la course avec son ouverture en open-source ? Des questions auxquels nous pourrons peut-être répondre en 2019. Un combat qui promet d’être passionnant.

Mais une chose est sûr, en 2018 l’opensource a fait une grande avancée dans le domaine des processeurs grâce à ce set d’instruction de l’université de Berkeley !

Comme j’aimerai voir ça dans le domaine des FPGA 😉

L’annonce a été faite mardi 16 octobre par W. Clifford : La version 0.8 de Yosis, un logiciel libre de synthèse Verilog est sortie.

Dans le process de développement FPGA/ASIC la synthèse est l’étape de conversion du modèle matériel simulé en « netlist RTL » d’où l’on peut dériver le circuit réel.

• Site officiel de Yosys (77 clics)
• Page de téléchargement de la version 0.8 (12 clics)
• La liste des changement dans le fichier CHANGELOG du projet (14 clics)

[La suite sur Linuxfr …  ]

A map of open-sources softwares for FPGA.

Click on image to see it in full scale and click on each box for more information about one of them (web link).

If one software is missing, feel free to signal it (mail@fabienm.eu).

Sources of schematics can also be found on a github repository.