Soft-FPGA-TD4

soft-fpga-logo

2025/10/30 ブレッドボード図を追加しました。
- Fritzingで作成しました。

2025/10/28 0.1alpha リリースしました。
- soft-FPGA-TD4-0.1alpha
2025/10/25 まだ編集中ですが
- ビルド手順を書きました。
- git cloneしてビルドできるはず。
Verilogで実装したシンプルな4bit CPU TD4をverilatorでC++ソースへ変換し、Raspberry Pi Pico2 上で動作するようにしました。
FPGAは不要 です。pico2のみで動きます。
ハードウェアFPGAなしでverilogソースが動く！だから soft-FPGA です。
soft-FPGAはSoftware Defined FPGAの略です。

pico2-01

開発環境

開発環境インストールの詳細手順
- Windows11
  - VSCode
    - pico SDK VSCode拡張
  - MSYS2 UCRT64
    - verilator 5

`soft-FPGA`ビルド手順

git cloneでファイル取得
- WSL2 Ubuntu24で実行する場合はWindowsからわかりやすいディレクトリ上で実行すると良い。
  - 例：WSL2 Ubuntu24の/mnt/c/pico2はWindowsのC:\pico2\
```
git clone https://github.com/open-tommie/Soft-FPGA-TD4.git
```
Windows11: ファイルエクスプローラでクローンしたSoft-FPGA-TD4フォルダーを開き、VSVodeワークスペースファイルをダブルクリック
```
./Soft-FPGA-TD4/verilator-TD4/02-verilater-TD4.code-workspace
```
VSCode: 右下の□ Compileアイコンをクリックしてビルドする。成功すると以下のようなログを出力する。
```
[101/101] Linking CXX executable test.elf
*  Terminal will be reused by tasks, press any key to close it. 
```
VSCode: buildフォルダーにtest.uf2が作成されたことを確認する。
UF2ファイルをpico2で実行する：
- pico2のBOOTSELボタンを押したまま、USBケーブルでPCと接続します。
- 接続後、BOOTSELボタンを離します。
  - PC側で、Pico 2が マスストレージデバイス（RPI-RP2） として認識されます。
  - 認識されない場合: ケーブルを抜き、再びBOOTSELを押しながら接続を試してください。
- UF2ファイルをコピー
  - UF2ファイルを、RPI-RP2ドライブにドラッグアンドドロップします。
  - コピーが完了すると、Pico2が自動的にリブートします。

（TBD)

リブートすると4秒後にLEDが点滅します
TeraTermでログ出力を確認

verilatorでverilogをC++変換

(TBD)

MSYS2 UCRT64でシェルスクリプトを実行します。
- do-varilator.sh
- ./obj_dirにC++ソースを出力します。
- main.cppは出力しない
実行例：

tommie@PC40-UCRT64:/c/pico2/Soft-FPGA-TD4/verilator-TD4$ ./do-verilator.sh
#!/bin/bash -v
# Verilatorを使ってVerilogコードをC++に変換
#
# MSYS2 UCRT64環境で実行することを想定
# 実行方法: ./do-verilator.sh

verilator --no-timing --cc TD4.v --exe main.cpp --top-module TD4 --threads 1 --threads-dpi none -o VTD4_sim
- V e r i l a t i o n   R e p o r t: Verilator 5.040 2025-08-30 rev UNKNOWN.REV
- Verilator: Built from 0.000 MB sources in 0 modules, into 0.000 MB in 0 C++ files needing 0.000 MB
- Verilator: Walltime 0.002 s (elab=0.000, cvt=0.000, bld=0.000); cpu 0.000 s on 1 threads; alloced 5.172 MB

Debug Probeで書き込み

(TBD)

書き込み
ログの確認

pico2接続

（TBD)

Raspberry Pi Pico2のピン配置
ログ解説

解説

verilator公式マニュアル(英文)
- verilatorで変換したC++ソースはLinux向けになっています。
- そのままではpico2 SDK C++ではコンパイルエラーがでます。
- エラーがでないようにして、pico2で実行できるようにしました。
TD4 verilogソース
- TD4.v
- fork元のsimpleTD4を修正して使っています。
- fork元の解説が充実しているので是非、参照して下さい。
  - simpleTD4
    - Verilogで実装したシンプルな4bit CPU TD4の実装。
    - Sipeed Tang Nano で動作。
    - TD4_details_jp.md にTD4.vの解説があります。
main.cpp
- main.cppの処理概要は以下の通りです。
  - pico2のGPIOを初期化
  - DIP SWの値をTD4:IN_PORTレジスタへ設定
  - TD4クロック実行
  - TD4:OUT_PORTをLEDへ出力
- topはverilatorが出力するTD4.vのモデルインスタンス
  - verilogシミュレーション用のインスタンス
- 以下を繰り返す
  - DIPスイッチの値をIN_PORTレジスタへ設定する
    - 4bit DIPスイッチの状態をpico2のGPIOから読む
    - GPIOの値をtop->in_port(IN_PORTレジスタ)へ設定する
  - top->eval(): 評価：TD4の状態を更新する
  - OUT_PORTレジスタの値をLEDへ出力する
    - top->out_port(OUT_PORTレジスタ)の値をpico2のGIPOでLEDへ出力する
  - top->clock = !top->clock: クロックを反転する
  - sleep: 時間まち
- top->eval()の処理時間はデバッグ出力なしで6μ秒ぐらい
  - 逆算すると、TD4の最大クロック周波数は50kHzぐらいの見込み。
  - デバッグ文を出力すると遅くなる
  - GPIOで遅くなる。

Soft-FPGA-TD4

開発環境

`soft-FPGA`ビルド手順

verilatorでverilogをC++変換

Debug Probeで書き込み

pico2接続

解説

FAQ

Q1-verilator出力のC++ソースを修正する必要あるか？

メモ、雑感

Soft-FPGA-TD4

開発環境

soft-FPGAビルド手順

verilatorでverilogをC++変換

Debug Probeで書き込み

pico2接続

解説

FAQ

Q1-verilator出力のC++ソースを修正する必要あるか？

メモ、雑感

`soft-FPGA`ビルド手順