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ULX3S

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Ho mais je me rend compte que je n’avais encore rien écrit sur la carte ULX3S commandée l’été dernier. Il faut dire que les délais d’approvisionnement étant ce qu’ils sont aujourd’hui la carte a tout de même mis presque six mois à arriver. J’ai donc eu tout le temps de passer à autre chose.

Donc oui, après m’être posé la question, j’ai opté pour l’ULX3S au détriment de l’orangecrab. La carte, conçue par le Hackerspace Radiona de Zagreb (croatie) arrive dans un petit carton muni de quelques accessoire «pmod» pour ajouter un second port HDMI, des USB et autres header he10.

L’ULX3S et ses adaptateurs «pmod»

La carte a tout ce qu’il faut pour faire une console de jeux 🙂 Mais pour le moment, on va surtout s’intéresser à la sortie HDMI, après avoir déballé la bête.

Mise en route

Un guide de mise en route est donné sur le github officiel. Pour démarrer la carte il suffit de brancher l’ordinateur sur l’usb de gauche.

Branchement de l’usb pour programmer la carte (src : quickstartguide)

Ce qui a pour effet d’allumer quelques leds de toutes les couleurs

\o/ plein de LEDs multicolors

et de monter un driver tty sur le pc host :

$ dmesg
[1956889.190788] usb 1-1.1.2: new full-speed USB device number 16 using xhci_hcd
[1956889.300502] usb 1-1.1.2: New USB device found, idVendor=0403, idProduct=6015, bcdDevice=10.00
[1956889.300504] usb 1-1.1.2: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=3
[1956889.300506] usb 1-1.1.2: Product: ULX3S FPGA 85K v3.0.8
[1956889.300507] usb 1-1.1.2: Manufacturer: FER-RADIONA-EMARD
[1956889.300508] usb 1-1.1.2: SerialNumber: E20000
[1956889.308375] ftdi_sio 1-1.1.2:1.0: FTDI USB Serial Device converter detected
[1956889.308401] usb 1-1.1.2: Detected FT-X
[1956889.308597] usb 1-1.1.2: FTDI USB Serial Device converter now attached to ttyUSB0

N’oublions pas que le FPGA est un ECP5, il y a donc tous les outils opensource disponibles pour développer avec. De plus, radiona fournie la toolchain précompilé pour la carte, il n’y a plus qu’à la télécharger et l’installer comme expliqué dans le manuel (424Mo pour un pc x64). 

$ cd /opt/
$ mkdir ulx3s
$ cd ulx3s/
$ wget https://github.com/YosysHQ/oss-cad-suite-build/releases/download/2022-03-17/oss-cad-suite-linux-x64-20220317.tgz
$ tar xf oss-cad-suite-linux-x64-20220317.tgz

Si on veut faire clignoter vite vite vite, dans relancer de synthèse on peut tout simplement cloner le projet «blink» et télécharger le bitstream. À titre personnel je préfère utiliser openFPGALoader (avant même d’en tester un autre ;).

$ cd /opt/ulx3s
$ git clone https://github.com/ulx3s/blink.git
$ cd blink/
$ tree
.
├── blink_12f.bit
├── blink_45f.bit
├── blink_85f.bit
├── blinky.v
├── blinky.ys
├── LICENSE
├── Makefile
├── README.md
└── ulx3s_v20.lpf

0 directories, 9 files
$ openFPGALoader -bulx3s  blink_85f.bit
Jtag probe limited to 3MHz
Jtag frequency : requested 6000000Hz -> real 3000000Hz
ret 0
Open file: DONE
Parse file: DONE
Enable configuration: DONE
SRAM erase: DONE
Loading: [==================================================] 100.00%
Done
Disable configuration: DONE

Le résultat n’est pas une LED qui clignote, mais 6 LEDs multicolors qui clignotent (qui compte en binaire).

Le projet blink fourni un makefile pour reconstruire le bitstream si l’on veut tester la toolchain :

$ export PATH=/opt/ulx3s/oss-cad-suite/:$PATH
$ make ulx3s.bit
$ openFPGALoader -bulx3s ulx3s.bit

Et voila \o/, c’est tout pour la prise en main !

La suite

La suite va consister à adapter le projet HdmiCore pour la sortie HDMI de la carte.

Ressources

ULX3S ou OrangeCrab ?

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Deux cartes à base d’ECP5 ont été lancée coup sur coup le même weekend pour fêter le début du confinement : OrangeCrab et ULX3S. Ces deux cartes sont accessibles via un financement participatif, l’une avec groupsget et l’autre avec crowdsupply. Les deux cartes supportent à 100% toute la chaine de développement open source Yosys + NextPnR + Trellis.

Et les deux sont proposées au même prix de départ : $99. Vu qu’elles sont toutes les deux à base d’ECP5 et au même prix voyons voir un peu ce qu’elles ont dans le ventre.

OrangeCrab, de la DDR3 sur batterie.

Ce qui frappe avec l’OrangeCrab c’est sa capacité mémoire avec un chip DDR3 de 1Gbits. C’est également une toute petite carte qui tiens presque sur le doigt (à condition de choisir le bon).

Et elle possède un connecteur de batterie permettant de la rendre autonome et «portable».

Image provenant de groupgets

Le détails des caractéristiques est donné sur le site :

  • 24kLut
  • 1008 Kb –de blocs RAM
  • 194 Kb – RAM Distribuée
  • 28 – 18×18 Multiplieurs
  • PLLs: 2
  • oscillateur interne
  • 1Gbits DDR
  • Full-speed (12Mbit) USB avec connection direct sur le FPGA
  • 128Mbit QSPI de mémoire FLASH
  • Connecteur MicroSD
  • SAR ADC, external RC / input comparateur
  • Système de gestion de batterie

ULX3S la console de jeux à base de FPGA

L’ULX3S est nettement plus grosse que l’OrangeCrab sur beaucoup de points. Sur le nombre de composants ajoutés déjà. Puisque l’on peut noter la présence d’un connecteur microSD, de 8 leds, d’un port USB connecté au FPGA via un convertisseur FTDI plus un USB connecté en direct, d’un module Wifi/Bt, d’un port vidéo GPDI d’une sortie audio, de 6 boutons, de …. mais dites donc ne serait-ce pas là tous les élements nécessaire pour faire une console de jeu ?!

Image provenant de la page crowdsupply

Par contre, la version à 99$ démarre avec le plus petit FPGA de la gamme, le ECP5 12F, deux fois plus petit que celui de l’OrangeCrab. Il est cependant possible d’acquérir la carte avec des FPGA (nettement) plus gros comme le 45F (135$) et le 85F (155$).

Mais même avec le 12F, l’équipement de cette ULX3S tel que copié/collé ci-dessous reste impressionnant:

  • FPGA: Lattice ECP5
    • LFE5U-85F-6BG381C (84 K LUT)
    • LFE5U-45F-6BG381C (44 K LUT)
    • LFE5U-12F-6BG381C (12 K LUT)
  • USB: FTDI FT231XS (500 kbit JTAG and 3 Mbit USB-serial)
  • GPIO: 56 pins (28 differential pairs), PMOD-friendly with power out 3.3 V at 1 A or 2.5 V at 1.5 A
  • RAM: 32 MB SDRAM 166 MHz
  • Flash: 4-16 MB Quad-SPI Flash for FPGA config and user data storage
  • Mass Storage: Micro-SD slot
  • LEDs: 11 (8 user LEDs, 2 USB LEDs, 1 Wi-Fi LED)
  • Buttons: 7 (4 direction, 2 fire, 1 power button)
  • Audio: 3.5 mm jack with 4 contacts (analog stereo + digital audio or composite video)
  • Video: Digital video (GPDI General-Purpose Differential Interface) with 3.3 V to 5 V I²C bidirectional level shifter
  • Display: Placeholder for 0.96″ SPI COLOR OLED SSD1331
  • Wi-Fi & Bluetooth: ESP32-WROOM-32 supports a standalone JTAG web interface over Wi-Fi
  • Antenna: 27, 88-108, 144, 433 MHz FM/ASK onboard
  • ADC: 8 channels, 12 bit, 1 MS a/s MAX11125
  • Power: 3 Switching voltage regulators: 1.1 V, 2.5 V, and 3.3 V
  • Clock: 25 MHz onboard, external differential clock input
  • Low-Power Sleep: 5 µA at 5 V standby, RTC MCP7940N clock wake-up, power button, 32768 Hz quartz with CR1225 battery backup
  • Dimensions: 94 mm × 51 mm

Soyons sage, patientons avant de dégainer sa monnaie 😉

Célèbre mème Futurama

OrangeCrab

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Ça y est, la carte à base d’ECP5 tant attendu est enfin disponible sur le site groupsget.

La carte qui est utilisable avec une chaîne de développement intégralement libre est constituée de:

  • 24kLut
  • 1008 Kb – Embedded Block RAM
  • 194 Kb – Distributed RAM
  • 28 – 18×18 Multipliers
  • PLLs: 2
  • Internal oscillator
  • 1Gbits DDR
  • Full-speed (12Mbit) USB with a direct connection to the FPGA
  • 128Mbit QSPI FLASH Memory
  • MicroSD socket
  • SAR ADC, external RC / input comparator of FPGA
  • Battery voltage sensing

Le tout pour des dimensions rikiki de 22.86mm x 50.8mm (0.9″ x 2.0″)

Ça fait quelques mois déjà que tout le monde l’attendait. Elle est disponible pour $99 à l’achat dès aujourd’hui.

15$ ECP5 board kit

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ECP5 is a great FPGA, it was reversed in Trellis, it’s bigger than ICE40 that was reversed before in icestorm project. And it have lots of cool stuff like

  • multipliers
  • serdes
  • 25klut min (85 max)
  • and lots of memory bits

But ECP5 board available on the web are little bit expensive (if you have nothing to do with it ;). Even the OrangeCrab will be about 80$ minimum (but with DDR3 and USB on it).

There is a rumor on the web that this leds display board include an ECP5 :

The Board as received

It’s really interesting, because this board cost only $15 ! With the dual SDRAM (M12L16161A) provided and its dual gigabit ethernet phy (Boardcom B50612D B1KMLG). For this low-cost price I order one of course.

Removing the sticker unveil an ECP5 25k !

I just received it and if we remove the sticker we see a Lattice ECP5 ( LFE5U-25F-6BG256C).

\o/ It’s a really lowcost ECP5 dev kit !

But without schematics. Mike Walter began to reverse it and document the board on its github project.

[Edit 1 March]

Anton Blanchard give the jtag+uart pinout on its twitter profile :

Jtag Uart pinout from Anton Blanchard (twitter)

I configured the FPGA with this adapter from seeedstudio (7.6$), which is a simple FT2232 adapter.

Connect and configure with openFPGALoader

ECP5 is available in openFPGALoader list as we can see :

$ openFPGALoader --list-fpga
IDCode      manufacturer  family         model               
0x81113043  lattice       ECP5-5G        LFE5UM5G-85F-8BG381 
0x100381b   Gowin         GW1N           GW1N-4              
0x20f30dd   altera        cyclone 10 LP  10CL025             
0x3620093   xilinx        spartan7       xc7s15ftgb196-1     
0x362d093   xilinx        artix a7 35t   xc7a35              
0x900281b   Gowin         GW1N           GW1N-1              
0x1100581b  Gowin         GW1N           GW1NR-9             
0x13631093  xilinx        artix a7 100t  xc7a100             
0x41111043  lattice       ECP5           LFE5U-25F-6BG256C   
0x612bd043  lattice       MachXO3LF      LCMX03LF-6900C   
   
$ openFPGALoader -cdigilent --detect
idcode 0x41111043
manufacturer lattice
model  LFE5U-25F-6BG256C
family ECP5

Open source synthesize and place&route tools

We can then load a simple blinker bitstream with openFPGALoader. But first, we have to synthesize one. Trabucayre gave me a simple blinker project I added to the BLP (Blinking Led Project).

This project require yosys, nextpnr and trellis to be installed. Installations instructions are given on trellis repository.

$ git clone --recursive https://github.com/SymbiFlow/prjtrellis
$ cd prjtrellis/libtrellis
$ cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr .
$ make
$ sudo make install

Then for next-pnr:

$ git clone https://github.com/YosysHQ/nextpnr.git
$ cd nextpnr
$ cmake -DARCH=ecp5 -DTRELLIS_INSTALL_PREFIX=/usr/ .
$ make
$ sudo make install

And finally Yosys 

$ git clone https://github.com/YosysHQ/yosys
$ cd yosys
$ make
$ sudo make install

Synthesize blinker

The blinker projet can be found on this github repository :

$ git clone https://github.com/Martoni/blp.git
$ cd blp/platforms/colorlight/
$ make
...
ecppack --svf blink.svf blink_out.config blink.bit

Then, once JTAG is plugged we can download it with openFPGALoader :

$  openFPGALoader -cdigilent blink.bit 
Open file blink.bit DONE
Parse file DONE
Enable configuration: DONE
SRAM erase: DONE
Loading: [==================================================] 100.000000%
Done
Disable configuration: DONE

And see the orange LED blinking !

Some links

[this article will be edited as I progress]