nextpnr -- أداة تنسيب وتوجيه FPGA قابلة للنقل

تطمح nextpnr إلى أن تكون أداة تنسيب وتوجيه FPGA حرة ومفتوحة المصدر (FOSS)، محايدة تجاه البائعين ومحركة بالتوقيت.

حاليًا تدعم nextpnr:

• أجهزة Lattice iCE40 المدعومة عبر Project IceStorm
• أجهزة Lattice ECP5 المدعومة عبر Project Trellis
• أجهزة Lattice Nexus المدعومة عبر Project Oxide
• أجهزة Gowin LittleBee و Aurora V المدعومة عبر Project Apicula
• أجهزة NanoXplore NG-Ultra المدعومة عبر Project Beyond
• أجهزة Cologne Chip GateMate المدعومة عبر Project Peppercorn
• (تجريبي) أجهزة Cyclone V المدعومة عبر Mistral
• (تجريبي) أجهزة Lattice MachXO2 المدعومة عبر Project Trellis
• (تجريبي) أجهزة Xilinx من السلسلة 7 المدعومة عبر Project X-Ray
• (تجريبي) نهاية خلفية "عامة" لبنى معمارية يحددها المستخدم

يمكن العثور على ورقة (أكاديمية) موجزة تصف مسار عمل Yosys+nextpnr على arXiv.

فيما يلي لقطة شاشة من nextpnr لـ iCE40. يمكن العثور على تعليمات البناء وملاحظات البدء أدناه.

انظر أيضًا:

• الأسئلة الشائعة
• واجهة برمجة تطبيقات البنية المعمارية

المتطلبات الأساسية

يجب تثبيت الحزم التالية لبناء nextpnr، بغض النظر عن البنية المعمارية المحددة:

• CMake 3.25 أو أحدث
• مُترجم C++17 حديث (clang-format مطلوب للتطوير)
• Python 3.5 أو أحدث، بما في ذلك مكتبات التطوير (python3-dev لأوبونتو)
  • يتطلب nextpnr-himbaechel إصدار Python 3.9 أو أحدث
  • على ويندوز تأكد من تثبيت نفس الإصدار المدعوم من vcpkg
• مكتبات Boost (libboost-dev libboost-filesystem-dev libboost-thread-dev libboost-program-options-dev libboost-iostreams-dev libboost-dev أو libboost-all-dev لأوبونتو)
• Eigen3 (libeigen3-dev لأوبونتو)
• Yosys مطلوب لتوليف التصميم التجريبي
• للبناء على ويندوز باستخدام MSVC، يُنصح باستخدام vcpkg لتثبيت التبعيات.
  • للبناءات 32 بت: vcpkg install boost-filesystem boost-program-options boost-thread eigen3
  • للبناءات 64 بت: vcpkg install boost-filesystem:x64-windows boost-program-options:x64-windows boost-thread:x64-windows eigen3:x64-windows
  • بالنسبة للبناءات الثابتة، أضف -static إلى كل اسم من أسماء الحزم. على سبيل المثال، غيّر إلى

البدء

أولاً وقبل كل شيء، شغّل:

git submodule update --init --recursive

nextpnr-ice40

لدعم iCE40، ثبّت Project IceStorm في /usr/local أو أي موقع آخر، ويجب تمريره إلى CMake كـ -DICESTORM_INSTALL_PREFIX=/usr. ثم قم ببناء وتثبيت nextpnr-ice40 باستخدام الأوامر التالية:

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH=ice40
make -j$(nproc)
sudo make install

على ويندوز، يمكنك تحديد المسارات صراحةً:

cmake . -B build -DARCH=ice40 -DICESTORM_INSTALL_PREFIX=C:/ProgramData/icestorm -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=C:/vcpkg/scripts/buildsystems/vcpkg.cmake -DVCPKG_TARGET_TRIPLET=x64-windows -G "Visual Studio 15 2017 Win64" -DPython3_EXECUTABLE=C:/Python364/python.exe -DPython3_LIBRARY=C:/vcpkg/packages/python3_x64-windows/lib/python36.lib -DPython3_INCLUDE_DIR=C:/vcpkg/packages/python3_x64-windows/include/python3.6
cmake --build build --config Release

لإنشاء إصدار ثابت، غيّر الثلاثي المستهدف من x64-windows إلى x64-windows-static وأضف -DBUILD_STATIC=ON.

يمكن العثور على مثال بسيط يعمل على لوحة التطوير iCEstick في ice40/examples/blinky/blinky.*. مثال على الاستخدام:

cd ice40/examples/blinky
yosys -p 'synth_ice40 -top blinky -json blinky.json' blinky.v               # synthesize into blinky.json
nextpnr-ice40 --hx1k --json blinky.json --pcf blinky.pcf --asc blinky.asc   # run place and route
icepack blinky.asc blinky.bin                                               # generate binary bitstream file
iceprog blinky.bin                                                          # upload design to iCEstick

تشغيل nextpnr في وضع الواجهة الرسومية (انظر أدناه للحصول على تعليمات بناء nextpnr مع دعم الواجهة الرسومية):

nextpnr-ice40 --json blinky.json --pcf blinky.pcf --asc blinky.asc --gui

(استخدم أزرار شريط الأدوات أو وحدة تحكم أوامر Python لتنفيذ إجراءات مثل التغليف والتنسيب والتوجيه وكتابة ملفات الإخراج.)

nextpnr-ecp5

لدعم ECP5، ثبّت Project Trellis في /usr/local أو أي موقع آخر، ويجب تمريره إلى CMake كـ -DTRELLIS_INSTALL_PREFIX=/usr/local. ثم قم ببناء وتثبيت nextpnr-ecp5 باستخدام الأوامر التالية:

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH=ecp5 -DTRELLIS_INSTALL_PREFIX=/usr/local
make -j$(nproc)
sudo make install

• يمكن العثور على أمثلة لمسار عمل ECP5 لمجموعة من اللوحات في أمثلة Project Trellis.

nextpnr-nexus

لدعم Nexus، ثبّت Project Oxide في $HOME/.cargo أو أي موقع آخر، ويجب تمريره إلى CMake كـ -DOXIDE_INSTALL_PREFIX=$HOME/.cargo. ثم قم ببناء وتثبيت nextpnr-nexus باستخدام الأوامر التالية:

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH=nexus -DOXIDE_INSTALL_PREFIX=$HOME/.cargo
make -j$(nproc)
sudo make install

• يمكن العثور على أمثلة لمسار عمل Nexus لمجموعة من اللوحات في أمثلة Project Oxide.

nextpnr-mistral

لدعم Cyclone V، استنسخ Mistral إلى $HOME/mistral أو أي موقع آخر ومرر هذا المسار إلى CMake كـ -DMISTRAL_ROOT=$HOME/mistral. ثم قم ببناء وتثبيت nextpnr-mistral باستخدام الأوامر التالية:

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH=mistral -DMISTRAL_ROOT=$HOME/mistral
make -j$(nproc)
sudo make install

دعم Cyclone V حاليًا تجريبي وذو اختبارات محدودة. النهاية الخلفية تخضع لإعادة هيكلة نشطة لواجهة برمجة التطبيقات، وقد تتغير بنيتها ومتطلبات البناء ونقاط الدمج بين الإصدارات.

nextpnr-generic

الهدف العام يتيح تشغيل التنسيب والتوجيه لأي بنى معمارية مخصصة.

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH=generic
make -j$(nproc)
sudo make install

مثال على كيفية استخدام المسار العام موجود في generic/examples. انظر أيضًا إلى وثائق البنية المعمارية العامة.

nextpnr-himbaechel

هدف himbaechel يتيح تشغيل التنسيب والتوجيه للبنى المعمارية الأكبر التي تشترك في بنية موحدة.

gowin

لدعم Gowin، ثبّت Project Apicula

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH="himbaechel" -DHIMBAECHEL_UARCH="gowin"
make -j$(nproc)
sudo make install

• يمكن العثور على أمثلة لمسار عمل Gowin لمجموعة من اللوحات في أمثلة Project Apicula.

ng-ultra

لدعم NanoXplore NG-Ultra، استنسخ مستودع Project Beyond DB

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH="himbaechel" -DHIMBAECHEL_UARCH="ng-ultra" -DHIMBAECHEL_PRJBEYOND_DB=/path/to/prjbeyond-db -DHIMBAECHEL_NGULTRA_DEVICES=ng-ultra
make -j$(nproc)
sudo make install

يرجى ملاحظة أن إنشاء تدفق البت الثنائي يتطلب أداة Impulse من NanoXplore.

gatemate

لدعم Cologne Chip GateMate، استنسخ Project Peppercorn

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH="himbaechel" -DHIMBAECHEL_UARCH="gatemate" -DHIMBAECHEL_PEPPERCORN_PATH=/path/to/prjpeppercorn
make -j$(nproc)
sudo make install

الواجهة الرسومية

لا يتم بناء واجهة nextpnr الرسومية افتراضيًا، لتقليل عدد التبعيات للبناء القياسي بدون واجهة رسومية. لتمكينها، أضف -DBUILD_GUI=ON إلى سطر أوامر CMake وتأكد من توفر Qt5/Qt6 وOpenGL:

بالنسبة لـ Qt6:

• على Ubuntu 22.04 LTS أو أحدث، ثبّت qt6-base-dev
• بالنسبة لـ MSVC vcpkg، ثبّت qt-base (32 بت) أو qt-base:x64-windows (64 بت)
• بالنسبة لـ Homebrew، ثبّت qt6 وأضف qt6 إلى المسار: echo 'export PATH="/usr/local/opt/qt/bin:$PATH"' >> ~/.bash_profile ` - هذا التغيير يسري في جلسة الطرفية التالية، لذا يرجى إعادة فتح نافذة الطرفية قبل البناء

بالنسبة لـ Qt5:

• على Ubuntu 22.04 LTS، ثبّت qtbase5-dev qtchooser qt5-qmake qtbase5-dev-tools
• على إصدارات Ubuntu الأخرى، ثبّت qt5-default
• بالنسبة لـ MSVC vcpkg، ثبّت qt5-base (32 بت) أو qt5-base:x64-windows (64 بت)
• بالنسبة لـ Homebrew، ثبّت qt5 وأضف qt5 إلى المسار: echo 'export PATH="/usr/local/opt/qt/bin:$PATH"' >> ~/.bash_profile ` - هذا التغيير يسري في جلسة الطرفية التالية، لذا يرجى إعادة فتح نافذة الطرفية قبل البناء

تعدد البنى المعمارية

لإنشاء nextpnr لعدة بنى معمارية في وقت واحد، يمكن استخدام قائمة مفصولة بفواصل منقوطة مع -DARCH.

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH="ice40;ecp5"
make -j$(nproc)
sudo make install

لإنشاء كل البنى المعمارية المستقرة المتاحة، استخدم -DARCH=all. لتضمين البنى التجريبية (حاليًا nexus)، استخدم -DARCH=all+alpha.

لكل بنية دقيقة Himbächel

لإنشاء ملف تنفيذي منفرد nextpnr-himbachel لكل من البنى الدقيقة المدعومة، استخدم -DHIMBAECHEL_SPLIT.

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH="himbaechel" -DHIMBAECHEL_UARCH="gowin;ng-ultra"
make -j$(nproc)
sudo make install

في مثل هذا البناء، بدلاً من ملف ثنائي واحد nextpnr-himbaechel، يتم بناء ملفين ثنائيين nextpnr-himbaechel-gowin وnextpnr-himbaechel-ng-ultra. على الرغم من تثبيتهما معًا، فإن كل بنية دقيقة مستقلة تمامًا عن الأخرى، وتحتاج فقط إلى دليل قاعدة بيانات الشرائح المقابل .../share/himbaechel/<microarchitecture>/ لتشغيلها. البناء المقسم يقلل حجم المخرجات الموزعة بشكل فردي (على الرغم من زيادة الحجم الإجمالي)، ويسمح بالتثبيت المشترك لمخرجات من إصدارات مختلفة.

البناء المتبادل

بصرف النظر عن قواعد بيانات الشرائح، يتطلب nextpnr تجميع أداة bba لنظام البناء. يمكن تجميع هذه الأداة كمشروع منفصل:

cd bba
cmake .
make

سينشئ ذلك ملف bba-export.cmake. قدم المسار إلى هذا الملف عند البناء المتبادل لـ nextpnr باستخدام -DBBA_IMPORT=/path/to/bba-export.cmake.

ملاحظات إضافية حول بناء nextpnr

ما يلي يشغّل بناء تصحيح أخطاء لبنية iCE40 بدون واجهة رسومية، وبدون دعم Python، وبدون أداة التنسيب التحليلية HeAP، ومع دعم HX1K فقط:

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH=ice40 -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DBUILD_PYTHON=OFF -DICE40_DEVICES=1k
make -j$(nproc)

لإنشاء إصدار بناء ثابت لبنية iCE40 استخدم ما يلي:

mkdir -p build && cd build
cmake .. -DARCH=ice40 -DBUILD_PYTHON=OFF -DSTATIC_BUILD=ON
make -j$(nproc)

يمكن لمحلل أداة التنسيب HeAP اختياريًا استخدام OpenMP لتسريع المشاريع الكبيرة جدًا. فعّل ذلك بتمرير -DUSE_OPENMP=yes إلى cmake (قد يختلف دعم المترجم).

يمكنك تغيير الموقع الذي سيتم تثبيت nextpnr فيه (عادةً ما يكون الافتراضي /usr/local) باستخدام -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/install/prefix.

ملاحظات للمطورين

• جميع الأكواد منسقة باستخدام clang-format وفقًا لقواعد النمط في .clang-format (مبنية على LLVM مع زيادة عرض الإزاحة والتفاف الأقواس بعد الفئات).
• لتنسيق جميع الأكواد المصدرية تلقائيًا، شغّل make clangformat.
• انظر إلى الويكي للحصول على وثائق إضافية حول واجهة برمجة تطبيقات البنية المعمارية.

تسجيل مقطع فيديو

• لحفظ تسجيل فيديو لعملية التنسيب والتوجيه، انقر على أيقونة التسجيل في شريط الأدوات واختر دليلاً فارغًا لتخزين ملفات التسجيل فيه وحدد الإطارات المطلوب تخطيها.
• ابدأ يدويًا جميع عمليات التنسيب والتوجيه (PnR) التي ترغب بها
• انقر على أيقونة التسجيل مرة أخرى لإيقاف التسجيل
• انتقل إلى الدليل الذي يحتوي على الملفات ونفّذ ffmpeg -f image2 -r 1 -i movie_%05d.png -c:v libx264 nextpnr.mp4

الاختبار

• لإنشاء الملفات الثنائية للاختبار أيضًا، استخدم -DBUILD_TESTS=ON وبعد make شغّل make test لتشغيلها، أو يمكنك تشغيل ملفات ثنائية منفصلة.
• لاستخدام أدوات تنظيف الكود استخدم خيارات cmake:
  • -DSANITIZE_ADDRESS=ON
  • -DSANITIZE_MEMORY=ON -DCMAKE_C_COMPILER=clang -DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++
  • -DSANITIZE_THREAD=ON
  • -DSANITIZE_UNDEFINED=ON
• مثال على تشغيل valgrind valgrind --leak-check=yes --tool=memcheck ./nextpnr-ice40 --json ice40/blinky.json
• لتشغيل الاختبارات مع تغطية الكود استخدم -DBUILD_TESTS=ON -DCOVERAGE وبعد make شغّل make ice40-coverage

الروابط والمراجع

التركيب والمحاكاة وتحسين المنطق

• Yosys
• Icarus Verilog
• ABC

مشاريع توثيق تدفق البت (وأدوات) FPGA

• Project IceStorm (Lattice iCE40)
• Project Trellis (Lattice ECP5)
• Project X-Ray (Xilinx 7-Series)
• Project Chibi (Intel MAX-V)

مشاريع FPGA حرة ومفتوحة المصدر أخرى للتنسيب والتوجيه

• Arachne PNR
• VPR/VTR
• SymbiFlow