À propos de Hazard3-Doom
Hazard3-Doom est un projet ouvert de matériel et de logiciel FPGA construit autour du processeur RISC-V Hazard3 et des FPGA Lattice ECP5. Il réunit un processeur logiciel, des contrôleurs mémoire, un moniteur résident, des applications exécutées depuis la mémoire externe, la vidéo HDMI, le stockage micro-SD, le débogage série et JTAG ainsi que les E/S des familles ULX3S et ULX4M.
Doom est l’application la plus visible, mais c’est aussi une charge de travail système utile. Son exécution exige bien plus qu’un cœur de processeur : le chargement d’un exécutable, une carte mémoire correcte, des accès soutenus à la mémoire externe, des temporisateurs, les entrées, le stockage, la vidéo et une infrastructure logicielle suffisante pour faire fonctionner durablement une application C importante. Le projet permet donc d’étudier tout le chemin entre le RTL et un programme interactif.
Ce que vous pouvez apprendre
Hazard3-Doom peut être abordé à plusieurs niveaux. On peut commencer par charger un bitstream connu et utiliser le moniteur, puis reconstruire ou modifier progressivement les couches situées en dessous.
Domaine |
Exemples de sujets |
|---|---|
Conception d’un processeur RISC-V |
Pipeline Hazard3, configuration ISA, CSR, exceptions, interruptions, comportement des branchements et prise en charge du débogage. |
Intégration SoC |
Interconnexions AHB5/APB, décodage d’adresses, cartes mémoire, temporisateurs, UART et périphériques mappés en mémoire. |
Systèmes mémoire |
SRAM EBR interne, SDR SDRAM externe, DDR3, contrôleurs mémoire, latence, bande passante, initialisation et compromis de timing. |
Implémentation FPGA |
Synthèse Yosys, placement/routage nextpnr, contraintes, balayage des seeds, fermeture temporelle et compromis de ressources sur les ECP5. |
Logiciel embarqué |
Code de démarrage, cartes de l’éditeur de liens, firmware résident, chargement d’exécutables, placement du tas, diagnostics et récupération. |
Graphisme et E/S |
Framebuffers indexés, balayage HDMI, stockage micro-SD, protocoles série, périphériques I2C/SAO et ressources partagées de la carte. |
Débogage |
Diagnostics UART, JTAG, OpenOCD, GDB et corrélation entre pannes logicielles, FPGA et mémoire. |
Ingénierie ouverte |
Builds reproductibles, verrouillage des sous-modules, différences entre l’amont et le projet, licences, documentation et tests de régression. |
La visite guidée du processeur commence dans Processeur RISC-V Hazard3. Les différences entre cartes et mémoires sont résumées dans Profils de cartes.
Pourquoi Doom ?
Une LED clignotante ou un petit test bare-metal peut démontrer qu’un bloc fonctionne. Doom impose à de nombreux blocs de fonctionner ensemble pendant une longue durée. Il sollicite l’exécution des instructions, de grandes structures de données, la mémoire externe, le chargement de fichiers, les mises à jour du framebuffer, le timing et l’interaction utilisateur, tout en produisant un résultat facile à observer.
Les pannes deviennent ainsi instructives. Une texture corrompue, un faible taux d’images, un échec de démarrage, une exception mémoire ou une régression de timing après routage peuvent mener directement à l’étude d’une partie précise du système informatique.
Au-delà de l’enseignement
Le projet peut aussi servir de plateforme d’ingénierie et de prototypage. L’application Doom peut être considérée comme une charge de référence exigeante, tandis que les mêmes idées de FPGA et de SoC sont adaptées à d’autres logiciels ou à du RTL personnalisé. Les usages possibles comprennent :
l’évaluation d’un processeur logiciel RISC-V associé à une logique FPGA spécifique à l’application ;
le prototypage de périphériques personnalisés, de ponts de protocoles ou de logique de contrôle déterministe ;
l’expérimentation sur les architectures mémoire et le partage matériel/logiciel ;
la réalisation de démonstrateurs utilisant vidéo, stockage, capteurs, caméras ou réseau ;
l’évaluation d’une chaîne d’outils FPGA ouverte avant la conception d’une carte personnalisée ; et
l’utilisation d’un FPGA modulaire dans une preuve de concept de produit embarqué.
Hazard3-Doom doit lui-même être considéré comme un projet de développement et d’enseignement, et non comme une conception de référence certifiée pour la production. Un produit doit faire l’objet des vérifications habituelles : fermeture temporelle, exigences électriques, fiabilité, sécurité, disponibilité des composants, tests de fabrication et licences de chaque composant matériel et logiciel. Les données du jeu Doom ont également des droits de distribution distincts de ceux du moteur open source et du projet FPGA.
ULX4M et l’écosystème de cartes porteuses Compute Module
L’ULX4M est particulièrement intéressant pour le prototypage car il s’agit d’un système FPGA modulaire sur module, plutôt que d’une carte de développement tout en un. Le projet matériel ULX4M le décrit comme compatible avec le brochage des cartes porteuses Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4), ce qui permet d’utiliser le module FPGA sur des cartes de base de type CM4 ou sur une carte porteuse conçue spécifiquement.
Brochage ULX4M-LD - affectations des broches FPGA sur la carte porteuse Waveshare CM4.
Cette séparation modulaire est utile aussi bien pour l’enseignement que pour l’exploration d’un produit : le FPGA et la mémoire restent sur l’ULX4M tandis que la carte porteuse peut fournir les connecteurs, l’alimentation, les caméras, les écrans, le réseau, le stockage ou d’autres E/S propres à l’application. Une équipe peut donc expérimenter plusieurs configurations de cartes porteuses avant de concevoir une carte personnalisée plus petite ne contenant que les interfaces nécessaires au produit final.
Le projet ULX4M a indiqué avoir effectué des essais avec plusieurs produits de type CM4, notamment la carte d’E/S Raspberry Pi Compute Module, des cartes Waveshare, Piunora et la carte porteuse TOFU. Ces résultats doivent être considérés comme des exemples de compatibilité et non comme une garantie pour toutes les révisions ou toutes les interfaces. Vérifiez le schéma de la carte porteuse, la révision de l’ULX4M, les contraintes de broches FPGA, les tensions et le RTL qui implémente réellement chaque interface avant de connecter le matériel.
Important
La compatibilité de brochage CM4 ne signifie pas que l’ULX4M est un Raspberry Pi ni que les logiciels Raspberry Pi peuvent y être exécutés. Le format de carte porteuse commun constitue une possibilité d’intégration électrique et mécanique ; l’ULX4M contient un FPGA ECP5 et exécute la logique définie par son bitstream.
Pour Hazard3-Doom, le chemin ULX4M-LS actuel utilise de la SDR SDRAM, tandis que le chemin ULX4M-LD utilise de la DDR3 via LiteDRAM. Les deux variantes permettent donc de comparer non seulement l’intégration sur carte porteuse, mais aussi des architectures de contrôleurs mémoire très différentes. Consultez Profils de cartes pour l’état actuel des builds et du timing.