Инструкция по установке ПО

Школа синтеза цифровых схем · basics-graphics-music · редакция от 5 октября 2026 года

Другие языки: Русский · English · Português (BR) · Список исправлений к старой инструкции

наверх ↑1. Введение

Эта инструкция описывает установку программного обеспечения, которое нужно для лабораторных работ Школы синтеза цифровых схем, и для работы с репозиторием примеров basics-graphics-music (далее BGM).

Инструкция заменяет предыдущую редакцию, Инструкция_по_установке_ПО.pdf от 3 октября 2025 года. Фотографии и снимки экрана из той редакции сохранены. Там, где сведения устарели, рядом стоит пометка «Было верно раньше» с объяснением, что изменилось. Полный перечень расхождений собран в отдельном файле.

1.1. Школа синтеза цифровых схем

Школа синтеза цифровых схем (School of Digital Circuit Synthesis) — бесплатная образовательная программа компании YADRO, посвящённая схемотехнике и цифровому дизайну: разработке на уровне RTL, функциональной верификации и основам проектирования микросхем.

По данным сайта школы, программа объединяет более 2000 участников и 24 вуза России и Белоруссии. Занятия сезона 2026/2027 проходят по субботам с 12:00 до 15:00 по московскому времени — в университетских кластерах очно и онлайн с записью. Участие бесплатное; YADRO предлагает проектную работу со своими инженерами, стажировки и кадровый резерв.

Актуальная информация и регистрация: edu.yadro.com/chip-design-school.

1.2. Репозиторий basics-graphics-music

BGM — это набор переносимых примеров на SystemVerilog для ПЛИС и для заказных микросхем. Над ним работали более 60 человек (69 авторов по данным git log на момент подготовки этой редакции); ведущий разработчик — Юрий Панчуль.

Репозиторий используется в Школе синтеза цифровых схем и на семинарах в разных странах: Бишкек (2022), Тбилиси (2023), Баку и Hacker Dojo в Кремниевой долине (2024), Тихуана и Ереван (2025).

Существуют три копии репозитория, и выбор между ними имеет значение:

Для занятий Школы синтеза берите версию chipdesignschool: она стабильна в течение семестра. Версия yuri-panchul — рабочая, в ней ведётся разработка, и поведение может измениться в любой день.

Чем BGM отличается от других наборов примеров

• Один и тот же скрипт работает со всеми САПР. В зависимости от выбранной платы 03_synthesize_for_fpga.bash запускает Altera Quartus, AMD Vivado, Gowin EDA или открытый поток на основе Yosys. Учащемуся не нужно изучать интерфейс каждой из этих программ, чтобы начать.
• Графика и звук с самого начала. Примеры сразу работают с HDMI, VGA, ЖК-экранами и светодиодными матрицами, с распознаванием нот через микрофон и синтезом звука через ЦАП и усилитель, — а не с абстрактными мигающими светодиодами.
• Микроархитектура, как в индустрии. Есть примеры с конвейерами, очередями FIFO и управлением потоком по кредитам — то есть ровно те темы, которые спрашивают на собеседованиях.
• 54 платы четырёх производителей ПЛИС поддерживаются одним и тем же кодом примеров (см. раздел 3).

Подробнее о структуре курса — в разделе 8 и в статье на Хабре: habr.com/ru/articles/1071736.

1.3. Репозиторий systemverilog-homework

systemverilog-homework (SVH) — набор небольших задач по SystemVerilog с автоматической проверкой. Он дополняет BGM: в BGM примеры запускаются на плате, а в SVH отрабатываются языковые конструкции и микроархитектурные приёмы в симуляторе.

Для SVH достаточно Icarus Verilog и Git — платы и САПР не нужны. Подробнее в разделе 9.

1.4. Синтез примеров в заказную микросхему

Примеры BGM можно не только запускать на ПЛИС, но и превратить в настоящую микросхему.

• Tiny Tapeout — сервис, который собирает проекты многих участников на один кристалл (MPW, «шаттл») и изготавливает их на фабрике. Для BGM есть шаблон, который берёт модуль lab_top из примера. Подробнее в разделе 10 и в статье habr.com/ru/articles/1084844.
• LibreLane — открытый поток RTL-to-GDSII, который можно запустить у себя локально. В BGM за это отвечает скрипт 07_synthesize_for_asic.bash, а посмотреть топологию можно скриптами 08_ и 09_. Установка — в разделе 4.1.11.

наверх ↑2. Что изменилось по сравнению с прежней инструкцией

Короткий обзор; технические подробности — в соответствующих разделах, а построчный разбор ошибок прежней редакции — в файле исправлений.

наверх ↑3. Поддерживаемые платы и требования к версиям САПР

Репозиторий поддерживает 54 плат на ПЛИС четырёх производителей. Таблица ниже — копия файла boards/README.md из репозитория; там же лежат варианты на русском, в форматах .html и .csv. Данные для этой таблицы взяты из файла boards/README.csv того же репозитория, поэтому она не может разойтись с ним.

Пояснения к столбцам:

• САПР и подходящие версии. Диапазоны для Quartus измерены: у каждой установленной версии спрашивали, умеет ли она собирать проект под конкретную микросхему платы. Крестиком (†) помечены диапазоны, у которых одна граница не проверена — например, нижняя граница 14.0.2 для MAX 10. Для Vivado, Gowin EDA и открытого потока в репозитории требований к версии не записано.
• TM1638. «Всегда» — обёртка платы всегда использует модуль клавиатуры и индикатора TM1638; «нет» — не использует; «на выбор» — в репозитории есть сборки и с ним, и без него.
• Графика. То, что подключает обёртка платы, а не то, на что способна сама плата.

Одна и та же плата встречается в репозитории в нескольких конфигурациях — с модулем TM1638 и без него, с HDMI или с одним из ЖК-экранов, со штатным САПР или с открытым потоком. Всего 112 каталогов в boards/ на 54 платы.

3.1. Три случая, когда версия Quartus критична

Для большинства плат годится любой современный Quartus Lite. Но есть три исключения, из-за которых нельзя просто поставить самую новую версию:

наверх ↑4. Установка САПР и сопутствующего ПО

Порядок разделов: Windows (4.1), Linux (4.2), macOS (4.3). Внутри каждого — одни и те же инструменты в одном и том же порядке.

Что обязательно, а что нет. Обязательны Git, Icarus Verilog с просмотрщиком диаграмм, VS Code и RARS — без них не выполнить ни одной лабораторной работы. САПР для ПЛИС нужен только тот, который соответствует вашей плате: для платы на Altera — Quartus, на Xilinx — Vivado, на Gowin — Gowin EDA или OSS CAD Suite, на Lattice — OSS CAD Suite. Если платы нет вообще, ставить САПР не нужно: примеры можно моделировать в Icarus Verilog, а упражнения SVH выполнять целиком без платы.

4.1. Windows 10 и 11

4.1.1. Установка Quartus (для плат на ПЛИС Altera)

Quartus нужен только для плат с ПЛИС Altera (прежнее название — Intel). Если у вас плата на Xilinx, Gowin или Lattice, пропустите разделы 4.1.1–4.1.3.

Какую версию выбрать

• Quartus Prime Lite 21.1 — версия, на которую рассчитаны лабораторные работы Школы и которая описана в этой инструкции пошагово. Годится для всех плат на Cyclone IV, Cyclone V, MAX II и MAX 10.
• Quartus Prime Lite 25.1 и другие свежие версии — тоже подходят для тех же плат. Ставятся в altera_lite.
• Quartus II 13.0sp1 или 13.1 — дополнительно, если у вас плата на Cyclone II или Cyclone III (см. 3.1).
• Quartus Prime Pro — только для DE23-Lite.

4.1.1.1. Пошаговая установка Quartus Prime Lite 21.1

1. Убедитесь, что скачаны оба файла: установщик (QuartusLiteSetup-21.1.exe) и архив поддержки вашей микросхемы с расширением .qdz. Оба файла должны лежать в одной папке.

Какой именно .qdz нужен, определяется микросхемой на плате:

Модель микросхемы написана на самом корпусе микросхемы на плате; её же можно найти в столбце «Семейство ПЛИС» таблицы раздела 3.

2. Запустите установщик и примите условия лицензионного соглашения.

3. Путь установки оставьте предложенный по умолчанию.

4. Если файл .qdz лежал рядом с установщиком, на этом шаге в списке Devices появится ваша микросхема. Если файлов несколько, отметьте галочкой только нужную серию — остальные занимают место без пользы.

5. Нажмите Next и дождитесь окончания установки.

6. На последнем экране обязательно поставьте галочку Launch USB Blaster II driver installation и нажмите Finish.

4.1.1.2. Установка драйвера USB Blaster

Для прошивки платы нужен драйвер программатора. Дальше в качестве примера взята плата OMDAZZ/RzRd с программатором DDS2022-24.

1. Подключите программатор. Шлейф JTAG одним концом — к разъёму JTAG на плате (не к AS!), другим — к программатору. Обратите внимание на выемку в разъёме: шлейф вставляется только одной стороной.

2. Подключите питание платы кабелем USB B-type и включите её кнопкой рядом с разъёмом. Готовая к работе плата выглядит так:

3. Откройте Диспетчер устройств (быстрее всего — через поиск у кнопки «Пуск»). После подключения программатора в списке появится новое устройство.

4. Нажмите на нём правой кнопкой → Обновить драйвер → Найти драйверы на этом компьютере.

5. В качестве папки поиска укажите каталог установки Quartus. Драйвер лежит внутри него, в подкаталоге quartus/drivers/usb-blaster.

4.1.1.3. Проверка установки Quartus

1. Запустите Quartus. Должно появиться окно выбора; нажмите Run the Quartus Prime Software.

2. Если плата есть, откройте окно Programmer.

3. Нажмите Hardware Setup.

4. Если в выпадающем списке есть USB-Blaster, драйвер установлен правильно.

5. Добавьте через Add File готовый файл прошивки .sof и нажмите Start. Надпись Successful означает, что Quartus и программатор работают.

Окно Programmer после успешной прошивки

4.1.1.4. Как скрипты BGM находят Quartus

В репозитории BGM синтез, прошивка и запуск графического интерфейса выполняются одними и теми же скриптами для всех САПР:

./03_synthesize_for_fpga.bash          # синтез и прошивка
./04_configure_fpga.bash               # только прошивка
./05_run_gui_for_fpga_synthesis.bash   # графический интерфейс

За поиск Quartus отвечает файл scripts/steps/00_setup_altera.source_bash. Порядок поиска такой, и первый успешный шаг прекращает дальнейший поиск:

1. QUARTUS_ROOTDIR — если переменная задана и указывает на каталог quartus внутри установки, берётся именно он, без всякого поиска.
2. quartus в PATH — если он уже доступен и подходит для вашей платы, скрипт ничего не меняет.
3. INTEL_FPGA_HOME, затем ALTERA_HOME, затем QUARTUS_HOME — каталог, внутри которого лежат каталоги установок.
4. Стандартные места: домашний каталог, /opt, /tools (под Windows — диски /c, /d, /e).

В каждом из этих мест проверяются все имена каталогов, которыми пользовались установщики Altera и Intel за годы:

altera  altera_lite  altera_std  altera_pro
intelFPGA  intelFPGA_lite  intelFPGA_std  intelFPGA_pro

Имя каталога ничего не говорит ни о версии, ни о редакции. На машине разработчика altera_lite/25.1std содержит редакцию Lite, а altera/13.1 — редакцию Web (так раньше называлась Lite). Поэтому скрипт не доверяет именам: он запускает quartus_sh и спрашивает у самого инструмента его версию, редакцию и список микросхем, которые тот умеет собирать.

Дальше скрипт берёт из файла проекта вашей платы (boards/<плата>/board_specific.qsf) конкретную микросхему и оставляет только те установки, которые её поддерживают. Среди оставшихся выбор идёт так:

1. бесплатная редакция (Lite или Web) — впереди платной, даже если она старше;
2. затем более новая версия;
3. Standard впереди Pro — но только при равных версиях.

Если ни одна установка не умеет собирать проект под микросхему вашей платы, скрипт сообщает об этом сразу, называя микросхему и перечисляя найденные версии, — вместо того чтобы выбрать неподходящую и упасть позже посреди синтеза. Если при этом вы сами указали установку через QUARTUS_ROOTDIR или через INTEL_FPGA_HOME / ALTERA_HOME / QUARTUS_HOME, скрипт вам доверяет: он выдаёт предупреждение и продолжает работу.

4.1.2. Установка AMD Vivado (для плат на ПЛИС Xilinx)

Vivado нужен только для плат с ПЛИС AMD Xilinx. Для плат на Altera, Gowin или Lattice он не требуется.

Лабораторные работы рассчитаны на версию 2022.2. Сообщество Школы проверяло, что работы выполняются и на версиях 2018, 2021 и 2023, однако рекомендуется именно 2022.2.

1. На приветственном экране установщика нажмите Next.

2. Поставьте флажок напротив Vivado.

3. На шаге Product Devices отметьте серии микросхем, которые поддерживаются в репозитории: Zynq-7000, Artix-7, Kintex-7 и Spartan-7. Остальные серии занимают десятки гигабайт без пользы.

4. Примите условия лицензионного соглашения, оставьте путь установки по умолчанию и нажмите Install.

Как скрипты BGM находят Vivado

За поиск отвечает scripts/steps/00_setup_xilinx.source_bash. Порядок такой же по смыслу, как у Quartus:

1. XILINX_VIVADO — прямое указание на каталог конкретной версии;
2. vivado в PATH;
3. XILINX_HOME — каталог, внутри которого лежат установки;
4. стандартные места: домашний каталог, /opt, /tools; под Windows — /c, /d, /e.

Внутри каждого места проверяются каталоги Xilinx, AMD и AMDDesignTools, причём в двух раскладках:

<место>/<вендор>/Vivado/<версия>   — Vivado 2024.1 и старше
<место>/<вендор>/<версия>/Vivado   — Vivado 2024.2 и новее

Если установок несколько, выбирается самая новая версия. Прописывать PATH не нужно.

Отдельное руководство по установке Vivado с иллюстрациями есть в самом репозитории: docs/vivado_installation_guide.

4.1.3. Установка Gowin EDA (для плат на ПЛИС Gowin)

Почему платы Gowin удобны для учёбы

• Скорость синтеза. Пример собирается за секунды, а не за минуты, — на занятии это принципиально: учащийся успевает сделать несколько попыток.
• Все три операционные системы. Gowin EDA работает под Windows, Linux и macOS. Для сравнения: Quartus и Vivado под macOS не выпускают вовсе.
• Цена и комплектация. Tang Nano 9K с ЖК-экраном и звуковыми модулями обходится примерно в 60 долларов на учащегося — дешевле любой платы Altera или Xilinx сравнимых возможностей.
• Возможность вырасти. Код примера переносится на Tang Primer 25K и Tang Mega 138K практически без изменений.

Подробное сравнение: verilog-meetup.com — Can Gowin beat Xilinx and Altera in the educational market?

Установка

Для скачивания нужно зарегистрироваться на сайте производителя. Школа рассчитывает на версию V1.9.9 Education.

1–2. На приветственном экране нажмите Next и примите лицензионное соглашение.

3–4. Поставьте все галочки, чтобы установить все компоненты. Путь оставьте по умолчанию и нажмите Install.

5–6. По завершении поставьте галочки установки драйверов программатора и нажмите Finish. В окне FTDI CDM Drivers нажмите Extract.

7–9. Далее → принять соглашение → дождаться окончания → Готово.

10–12. В области уведомлений замигает значок щита — нажмите на него, оставьте путь по умолчанию, Install, затем Close.

Как скрипты BGM находят Gowin EDA

Файл scripts/steps/00_setup_gowin.source_bash проверяет:

1. GOWIN_VERSION_DIR — каталог конкретной версии (внутри него должны быть подкаталоги IDE и Programmer);
2. GOWIN_HOME — каталог, внутри которого лежат версии;
3. домашний каталог, /opt, /tools, а в них подкаталоги Gowin или gowin.

Если версий несколько, берётся самая новая (каталоги вида Gowin_V1.9.9 сортируются, выбирается последний), и выдаётся предупреждение со списком найденного.

4.1.4. OSS CAD Suite — открытый поток для Gowin и Lattice

OSS CAD Suite — один архив, в котором собран весь открытый поток: Yosys (синтез), nextpnr (размещение и трассировка), openFPGALoader (прошивка), а также свои сборки Icarus Verilog, GTKWave и Verilator. Это единственный способ работать с платами на ПЛИС Lattice (ECP5, iCE40), и альтернативный способ работать с платами Gowin.

Установка

1. Скачайте архив для своей системы со страницы выпусков: github.com/YosysHQ/oss-cad-suite-build/releases.
2. Распакуйте его так, чтобы получился каталог ~/oss-cad-suite — то есть прямо в домашнем каталоге. Скрипты BGM ищут именно по этому пути, а также в ~/Downloads/oss-cad-suite.

Больше ничего делать не нужно: скрипт scripts/steps/00_setup_yosys.source_bash сам найдёт каталог и подключит его командой source ~/oss-cad-suite/environment. Прописывать PATH вручную не требуется.

Если каталога нет, скрипт ищет yosys в системе и, не найдя, выдаёт сообщение со ссылкой на страницу выпусков.

4.1.5. Установка Icarus Verilog и просмотрщика диаграмм (обязательно)

Icarus Verilog — открытый симулятор, которого достаточно для моделирования всех примеров репозитория. GTKWave или Surfer — программы для просмотра временных диаграмм в формате VCD.

Где скачать: bleyer.org/icarus — сборки для Windows. Берите версию 14.

1–2. Запустите установщик и примите лицензионное соглашение.

3–4. Установщик предупреждает, что в пути установки не должно быть пробелов. Путь оставьте по умолчанию (C:\iverilog).

5–6. Поставьте обе галочки для полной установки — она включает GTKWave. Имя папки в меню «Пуск» оставьте по умолчанию.

7–8. Поставьте галочку Add executable folder(s) to the user PATH и нажмите Install.

Как скрипты BGM находят Icarus

Файл scripts/steps/00_setup_icarus.source_bash:

1. если iverilog доступен в PATH — используется он;
2. иначе под Windows проверяется /c/iverilog (то есть C:\iverilog), под Linux и macOS — ~/install/iverilog;
3. затем скрипт запускает iverilog -V, разбирает номер версии и предупреждает, если она слишком старая;
4. дополнительно проверяется поддержка -g2023 — она нужна части примеров.

Если вместо GTKWave в системе найдена программа surfer, скрипты используют её и берут файл настроек surfer.scr вместо gtkwave.tcl. См. раздел 4.1.7.

4.1.6. Установка Visual Studio Code (обязательно)

1–3. Скачайте установщик с code.visualstudio.com, запустите его и примите лицензионное соглашение.

4–5. Путь установки оставьте по умолчанию. В пути не должно быть русских букв. Имя папки в меню «Пуск» оставьте как есть.

6–7. Полезно поставить галочки «Создать значок на Рабочем столе» и оба пункта «Открыть с помощью Code» — они добавляют команду в контекстное меню проводника.

8. Установите расширение для подсветки синтаксиса: вкладка расширений → в поиске SystemVerilog → SystemVerilog - Language Support → Install.

4.1.7. Установка Surfer — просмотрщика диаграмм

Расширение для VS Code

Откройте вкладку расширений, найдите Surfer и установите. После этого файлы .vcd открываются прямо в редакторе, рядом с кодом — не нужно переключаться в отдельное окно.

Отдельная программа

Скачайте сборку со страницы выпусков: gitlab.com/surfer-project/surfer/-/releases, и поместите исполняемый файл в каталог, который есть в PATH.

Скрипты репозитория проверяют наличие команды surfer и, если она есть, используют Surfer вместо GTKWave автоматически. Для каждого примера в репозитории рядом с gtkwave.tcl лежит файл surfer.scr с таким же набором отображаемых сигналов.

4.1.8. Установка Git (обязательно)

Git нужен, чтобы скачать репозиторий с примерами и получать обновления. Кроме того, вместе с ним под Windows устанавливается Git Bash — оболочка, в которой запускаются все скрипты репозитория.

1–3. Скачайте установщик с git-scm.com/downloads/win, примите соглашение, следующие три окна оставьте по умолчанию.

4. В качестве редактора по умолчанию удобно выбрать из списка Visual Studio Code.

5. Поставьте флажок Override the default branch name for new repositories и оставьте имя main.

6. Остальные страницы оставьте по умолчанию и завершите установку.

7. После установки в системе появятся Git Bash и Git CMD, а в контекстном меню проводника — пункты Open Git GUI here и Open Git Bash here.

Получение репозиториев

mkdir -p ~/projects
cd ~/projects
git clone https://github.com/chipdesignschool/basics-graphics-music.git
git clone https://github.com/chipdesignschool/systemverilog-homework.git

4.1.9. Установка RARS (обязательно)

RARS — симулятор системы команд RISC-V. В нём выполняются упражнения по ассемблеру из раздела курса про архитектуру процессора, и его запускает скрипт 10_run_instruction_set_simulator.bash.

RARS распространяется одним исполняемым jar-файлом, поэтому нужна Java 8 или новее.

1. Скачайте сборку OpenJDK с jdk.java.net и распакуйте, например, в C:\Program Files\OpenJDK.

2. Создайте системную переменную JAVA_HOME с путём к распакованному каталогу и добавьте в PATH значение %JAVA_HOME%\bin.

3. Проверьте установку командой в cmd:

java --version

4. Скачайте rars1_6.jar со страницы выпусков: github.com/TheThirdOne/rars/releases.

Скрипт 00_setup_rars.source_bash ищет jar-файл в домашнем каталоге и в каталоге загрузок; если найдено несколько версий, берётся самая новая.

4.1.10. Установка XPACK RISC-V GCC (для программ, исполняемых ядром внутри ПЛИС)

В репозитории есть три процессорных ядра RISC-V, которые можно синтезировать в ПЛИС:

• aps — ядро из МИЭТ;
• yrv — компактное ядро с отладочным интерфейсом;
• picorv32 — известное небольшое ядро.

Выбор ядра — скриптом 13_choose_another_riscv_core_for_software.bash.

Чтобы собрать программу для такого ядра, нужен кросс-компилятор. В репозитории используется сборка XPACK RISC-V GCC (riscv-none-elf-gcc).

Установка

1. Скачайте архив со страницы выпусков: github.com/xpack-dev-tools/riscv-none-elf-gcc-xpack/releases.
2. Распакуйте его в домашний каталог. Должен получиться каталог вида ~/xpack-riscv-none-elf-gcc-14.2.0-3/, внутри которого есть подкаталог bin.

Скрипт 00_setup_riscv.source_bash ищет каталоги с именем вида xpack-riscv-none-elf-gcc-* на глубину до двух уровней от домашнего каталога, а также каталог xpack/bin. Если найдено несколько версий, выдаётся предупреждение и берётся одна из них.

Сборка и загрузка программы:

./11_build_software_to_run_on_cpu.bash
./12_upload_software_to_the_board_using_uart.bash
./14_run_terminal_program.bash

Терминальная программа

4.1.11. Установка LibreLane (синтез в заказную микросхему)

LibreLane — открытый поток, превращающий код на SystemVerilog в топологию микросхемы (RTL-to-GDSII). Работает только под Linux и macOS; под Windows нужен WSL или виртуальная машина с Linux (см. раздел 4.2.11 и файл docs/wsl.md репозитория).

Установка через Nix

# установить менеджер пакетов Nix
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf -L https://install.determinate.systems/nix | sh -s -- install

# в каталоге с LibreLane
nix develop

Внутри оболочки nix develop команда librelane доступна, и скрипты репозитория её найдут.

Если LibreLane стоит в другом месте

Укажите путь к каталогу с исполняемым файлом в переменной LIBRELANE_PATH:

export LIBRELANE_PATH=/путь/к/librelane/bin

Скрипт 00_setup_libre_lane.source_bash добавит этот путь в PATH. Если команда librelane так и не найдена, выдаётся сообщение с обоими способами установки.

Запуск

./07_synthesize_for_asic.bash                  # синтез в СБИС
./08_visualize_asic_synthesis_results_1.bash   # просмотр топологии
./09_visualize_asic_synthesis_results_2.bash

Просмотрщик выбирается переменной LAYOUT_VIEWER и может быть openroad (по умолчанию) или klayout.

Снимки экрана из прежней редакции, относящиеся к OpenLane. Оставлены для сравнения: сам поток заменён на LibreLane.

4.2. Linux (на примере Ubuntu 22.04)

Порядок тот же, что и для Windows, и нумерация подразделов совпадает. Там, где шаги не отличаются, они не повторяются — даётся ссылка на соответствующий подраздел 4.1.

4.2.1. Установка Quartus (для плат на ПЛИС Altera)

Quartus нужен только для плат на ПЛИС Altera. Если ваша плата на Xilinx, Gowin или Lattice — переходите к подразделам 4.2.2–4.2.4.

4.2.1.1. Пошаговая установка Quartus Prime Lite 21.1

1. Скачайте установщик QuartusLiteSetup-21.1.0.842-linux.run и архив .qdz для вашей микросхемы (см. таблицу в подразделе 4.1.1.1), положив их в одну папку.

2. В терминале:

chmod +x QuartusLiteSetup-21.1.0.842-linux.run
./QuartusLiteSetup-21.1.0.842-linux.run

Дальше установщик ведёт себя так же, как под Windows: предлагает принять соглашение, выбрать каталог и показывает список Devices с микросхемами из найденных файлов .qdz. Если список пуст, значит файл .qdz не лежал рядом с установщиком; его можно добавить позже через меню Tools → Install Devices.

4.2.1.2. Правило udev для USB Blaster

Без правила udev программатор доступен только пользователю root, и Quartus его «не видит».

1. Подключите плату и программатор и убедитесь, что система их видит:

lsusb

В списке должна появиться строка с идентификатором производителя 09fb — это Altera.

2. Создайте файл правил:

sudo nano /etc/udev/rules.d/51-usbblaster.rules

и запишите в него:

# USB Blaster
SUBSYSTEM=="usb", ENV{DEVTYPE}=="usb_device", ATTRS{idVendor}=="09fb", ATTRS{idProduct}=="6001", MODE:="0666", SYMLINK+="usbblaster/%k"
SUBSYSTEM=="usb", ENV{DEVTYPE}=="usb_device", ATTRS{idVendor}=="09fb", ATTRS{idProduct}=="6002", MODE:="0666", SYMLINK+="usbblaster/%k"
SUBSYSTEM=="usb", ENV{DEVTYPE}=="usb_device", ATTRS{idVendor}=="09fb", ATTRS{idProduct}=="6003", MODE:="0666", SYMLINK+="usbblaster/%k"

# USB Blaster II
SUBSYSTEM=="usb", ENV{DEVTYPE}=="usb_device", ATTRS{idVendor}=="09fb", ATTRS{idProduct}=="6010", MODE:="0666", SYMLINK+="usbblaster2/%k"
SUBSYSTEM=="usb", ENV{DEVTYPE}=="usb_device", ATTRS{idVendor}=="09fb", ATTRS{idProduct}=="6810", MODE:="0666", SYMLINK+="usbblaster2/%k"

# USB Blaster III (нужен для Terasic DE23-Lite)
SUBSYSTEM=="usb", ENV{DEVTYPE}=="usb_device", ATTRS{idVendor}=="09fb", ATTRS{idProduct}=="6022", MODE:="0666", SYMLINK+="usbblaster3/%k"

3. Примените правила и переподключите кабель программатора:

sudo udevadm control --reload
# затем выньте и вставьте кабель USB Blaster

4.2.1.3. Проверка установки Quartus

Шаги те же, что в подразделе 4.1.1.3: запустить Quartus, открыть Programmer, нажать Hardware Setup и убедиться, что в списке есть USB-Blaster.

Надпись Successful означает, что Quartus и программатор работают

4.2.1.4. Как скрипты BGM находят Quartus

Полностью так же, как под Windows, — см. подраздел 4.1.1.4. Отличается только список стандартных мест: под Linux это домашний каталог, /opt и /tools (под Windows на их месте корни дисков /c, /d, /e).

4.2.2. Установка AMD Vivado (для плат на ПЛИС Xilinx)

Скачайте установщик с сайта AMD, сделайте его исполняемым и запустите:

chmod +x FPGAs_AdaptiveSoCs_Unified_*_Lin64.bin
./FPGAs_AdaptiveSoCs_Unified_*_Lin64.bin

Дальше диалоги те же, что под Windows (подраздел 4.1.2): выбрать Vivado, отметить серии Zynq-7000, Artix-7, Kintex-7 и Spartan-7, принять соглашение.

После установки запустите скрипт установки драйверов кабеля — без него программатор не будет доступен обычному пользователю:

cd $XILINX_VIVADO/data/xicom/cable_drivers/lnx64/install_script/install_drivers
sudo ./install_drivers

Как скрипты находят Vivado — подраздел 4.1.2; порядок одинаков на всех системах.

4.2.3. Установка Gowin EDA (для плат на ПЛИС Gowin)

Скачайте архив для Linux (требуется регистрация на сайте Gowin), распакуйте его в домашний каталог или в /opt, так чтобы получился путь вида ~/Gowin/Gowin_V1.9.9/IDE.

Для доступа к программатору нужно правило udev — программатор плат Tang построен на микросхеме FTDI:

sudo nano /etc/udev/rules.d/91-sipeed.rules

SUBSYSTEM=="usb", ATTRS{idVendor}=="0403", ATTRS{idProduct}=="6010", MODE:="0666"
SUBSYSTEM=="usb", ATTRS{idVendor}=="0403", ATTRS{idProduct}=="6014", MODE:="0666"

sudo udevadm control --reload

Как скрипты находят Gowin EDA — подраздел 4.1.3.

4.2.4. OSS CAD Suite — открытый поток для Gowin и Lattice

Так же, как под Windows (подраздел 4.1.4): распаковать архив в ~/oss-cad-suite и больше ничего не делать — скрипты подключат его сами.

cd ~
tar xzf oss-cad-suite-linux-x64-*.tgz

4.2.5. Установка Icarus Verilog и просмотрщика диаграмм (обязательно)

Для Ubuntu 22.04 и новее:

sudo add-apt-repository ppa:team-electronics/ppa
sudo apt-get update
sudo apt install iverilog gtkwave

Проверьте версию:

iverilog -V

Сборка из исходников в ~/install/iverilog — путь, который скрипты знают:

git clone https://github.com/steveicarus/iverilog.git
cd iverilog && sh autoconf.sh
./configure --prefix=$HOME/install/iverilog
make -j$(nproc) && make install

4.2.6. Установка Visual Studio Code (обязательно)

Скачайте пакет .deb с code.visualstudio.com и установите:

sudo dpkg -i code_*.deb

Затем поставьте расширения SystemVerilog - Language Support и Surfer — так же, как под Windows (подразделы 4.1.6 и 4.1.7)

4.2.7. Установка Surfer — просмотрщика диаграмм

Скачайте сборку для Linux со страницы релизов gitlab.com/surfer-project/surfer, распакуйте и положите исполняемый файл в каталог, который есть в PATH — например ~/.local/bin:

mkdir -p ~/.local/bin
tar xzf surfer-*-linux.tar.gz -C ~/.local/bin --strip-components=1 surfer/surfer
surfer --version

Чтобы скрипты открывали диаграммы в Surfer, а не в GTKWave:

export WAVE_VIEWER=surfer

Подробнее о выборе просмотрщика — подраздел 4.1.7.

4.2.8. Установка Git (обязательно)

sudo apt install git

Настройте имя и адрес — иначе Git откажется делать коммиты:

git config --global user.name "Имя Фамилия"
git config --global user.email "you@example.com"
git config --global init.defaultBranch main

Отдельная оболочка не нужна: под Linux скрипты работают в обычном терминале.

4.2.9. Установка RARS (обязательно)

Нужна Java — под Linux она ставится одной командой, переменные JAVA_HOME и PATH настраивать не требуется:

sudo apt install default-jre
java --version

Затем скачайте rars1_6.jar со страницы релизов (github.com/TheThirdOne/rars) в домашний каталог и запустите:

java -jar rars1_6.jar

Скрипт 10_run_instruction_set_simulator.bash находит файл .jar сам — см. подраздел 4.1.9.

4.2.10. Установка XPACK RISC-V GCC и терминальной программы

Компилятор. Распакуйте архив XPACK в домашний каталог — скрипты найдут его сами (подраздел 4.1.10):

cd ~
tar xzf xpack-riscv-none-elf-gcc-*-linux-x64.tar.gz

Терминальная программа. Нужна, чтобы загрузить программу в плату через UART и общаться с процессором внутри ПЛИС:

sudo apt install minicom picocom

Скрипт 14_run_terminal_program.bash выбирает программу переменной TERMINAL_PROGRAM (minicom, picocom или putty).

Чтобы иметь доступ к последовательному порту без sudo, добавьте себя в группу dialout:

sudo usermod -aG dialout $USER
# затем перезайдите в систему

4.2.11. Установка LibreLane (синтез в заказную микросхему)

См. подраздел 4.1.11 — установка через Nix одинакова для Linux и macOS. Под Linux это основной, штатный способ: ни WSL, ни виртуальная машина не нужны.

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf -L https://install.determinate.systems/nix | sh -s -- install
nix develop
./07_synthesize_for_asic.bash

4.3. macOS

Зато полностью работают и не требуют никаких ухищрений:

• Gowin EDA — платы Tang (с оговоркой ниже);
• OSS CAD Suite — платы Gowin и Lattice;
• Icarus Verilog, GTKWave, Surfer, VS Code, Git, RARS, XPACK RISC-V GCC, LibreLane.

Иными словами, на Mac удобно учиться с платой Tang Nano 9K — это ещё одна причина, по которой Школа рекомендует её как недорогой вариант.

В остальном macOS ведёт себя как Linux: те же скрипты, тот же терминал, те же команды. Но есть четыре особенности, которые заложены в сами скрипты.

1. Gowin EDA работает только на Apple Silicon

На компьютерах Mac с процессором Intel Gowin EDA не запускается, и скрипт сообщает об этом прямо:

Gowin IDE is not working on your platform (Mac x64?)

На Mac с процессорами M1 и новее всё работает.

2. Другая раскладка каталогов Gowin

Под macOS Gowin EDA поставляется как приложение, и исполняемые файлы лежат внутри него. Скрипт ищет каталоги GowinIDE.app, Gowin и gowin, а внутри них дополнительно проверяет подкаталог:

Contents/Resources/Gowin_EDA

Поэтому путь к установке выглядит, например, так: /Applications/GowinIDE.app/Contents/Resources/Gowin_EDA/IDE/bin. Переменные DYLD_FRAMEWORK_PATH и DYLD_LIBRARY_PATH, без которых Gowin EDA под macOS не находит свои библиотеки, скрипт выставляет сам — вручную их задавать не нужно.

3. Карантин: «программу нельзя открыть, так как её автор не установлен»

macOS помечает всё скачанное из интернета атрибутом com.apple.quarantine и отказывается запускать такие программы. Это самая частая причина, по которой на Mac «не работают» Gowin EDA, OSS CAD Suite и компилятор XPACK.

Скрипты репозитория это обнаруживают и подсказывают команду, но снять атрибут должны вы сами. Проверяются:

• каталог Gowin EDA, а также вложенные IDE и Programmer;
• ~/oss-cad-suite и ~/Downloads/oss-cad-suite;
• каталог XPACK RISC-V GCC.

Команда для любого из них:

xattr -rd com.apple.quarantine ~/oss-cad-suite

# если выдаёт Permission denied:
sudo xattr -rd com.apple.quarantine ~/oss-cad-suite

4. Просмотрщик диаграмм: Surfer на Apple Silicon

На Mac с процессором M1 и новее скрипты открывают диаграммы в Surfer, а не в GTKWave, и требуют, чтобы он был установлен:

brew install surfer   # либо скачайте сборку со страницы релизов

На Mac с процессором Intel используется GTKWave, причём запускается исполняемый файл внутри приложения:

/Applications/gtkwave.app/Contents/MacOS/gtkwave-bin

Поэтому там достаточно перетащить gtkwave.app в /Applications. Запуск через open -a gtkwave не годится: в этом случае GTKWave не читает файл сценария gtkwave.tcl, который заранее расставляет сигналы на диаграмме, — в комментарии к скрипту это отмечено отдельно.

Установка остального через Homebrew:

brew install git icarus-verilog
brew install surfer                      # на Apple Silicon
brew install gtkwave                     # на Mac с процессором Intel
brew install --cask visual-studio-code

наверх ↑5. Виртуальная машина для занятий по функциональной верификации

Для раздела курса про функциональную верификацию нужен симулятор Questa. Он распространяется отдельно и может требовать лицензию, поэтому Школа выдаёт готовую виртуальную машину с установленным симулятором.

1. Установите VirtualBox.
2. Скачайте и распакуйте архив с виртуальной машиной (ссылку даёт Школа).
3. Запустите VirtualBox и добавьте машину кнопкой Добавить, указав файл с расширением .vbox из распакованного каталога.
4. Запустите машину. Пароль пользователя: 1234.
5. Откройте терминал (Applications → System Tools → Terminal) и введите vsim. Должно появиться приветственное окно симулятора.

При затруднениях напишите в чат Школы синтеза цифровых схем.

наверх ↑6. Загружаемый SSD с предустановленным ПО

Вместо установки всего перечисленного вручную можно получить готовый образ SSD с предустановленным ПО и загружаться с него. Это удобно для занятий в учебных классах.

Основа раздела — статья Юрия Панчула: habr.com/ru/articles/754262.

6.1. Запись образа на SSD

Скачайте файл образа .img (ссылку даёт Школа).

Это делает скрипт из самого репозитория:

scripts/admin/erase_ssd_gpt_and_write_bootable_image.bash

Положите скрипт в каталог с образом (или образ — в каталог со скриптом) и запустите под sudo. Скрипт проверит, что образ один, спросит, какой диск перезаписать, убедится, что диск не смонтирован, и запишет образ. Операция занимает десятки минут.

6.2. Загрузка с SSD

Подключите SSD к выключенному компьютеру, включите его и нажимайте клавишу входа в меню загрузки:

Образ поддерживает и UEFI, и устаревшую Legacy-загрузку.

Если клавиши при включении не срабатывают (так бывает из-за быстрой загрузки Windows), воспользуйтесь средствами самой Windows: Параметры → Восстановление → Особые варианты загрузки → Перезагрузить сейчас, затем Use a device и выберите пункт Linpus lite (вариант EFI USB Device работает не всегда).

Далее загрузится Simply Linux. Логин verilog, пароль verilog.

6.3. Обновление репозиториев

Подключитесь к интернету и обновите примеры. Если каталог уже есть:

cd ~/projects/basics-graphics-music
git pull

Если каталога нет:

cd ~/projects
git clone https://github.com/chipdesignschool/basics-graphics-music.git
git clone https://github.com/chipdesignschool/systemverilog-homework.git

6.4. Проверка работы с платой

Сначала выберите плату:

cd ~/projects/basics-graphics-music
./check_setup_and_choose_fpga_board.bash

Скрипт покажет список поддерживаемых плат, запомнит ваш выбор в файле fpga_board_selection в корне репозитория и предложит создать рабочие каталоги для всех примеров.

Затем соберите и прошейте пример:

cd labs/1_basics/1_01_and_or_not_xor_de_morgan
./03_synthesize_for_fpga.bash

Если прошивка не удалась с первого раза, переподключите кабель USB Blaster и запустите только прошивку:

./04_configure_fpga.bash

После этого можно нажимать кнопки на плате и наблюдать за светодиодами в соответствии с кодом примера.

наверх ↑7. Виртуальная машина с предустановленным ПО

Если загружаться с отдельного SSD неудобно, тот же образ можно запустить в виртуальной машине.

1. Скачайте образ .img.
2. Преобразуйте его в формат VirtualBox при помощи qemu-img:

   qemu-img convert -f raw -O vdi образ.img образ.vdi

3. Создайте в VirtualBox новую машину и подключите к ней полученный файл .vdi как существующий жёсткий диск.
4. Логин verilog, пароль verilog.

наверх ↑8. Подробнее о репозитории BGM

8.1. Из чего состоит курс

Примеры в репозитории сгруппированы по разделам курса. Ниже — краткая карта, по статье habr.com/ru/articles/1071736.

Разделы 3–5 курса Школы соответствуют этой структуре: ассемблер RISC-V в симуляторе RARS, затем микроархитектура процессорного ядра, затем интеграция ядра в систему — ввод-вывод от датчиков и параллелизм через прерывания. Пример Femto Threads реализует переключение контекста задач примерно в 400 строках ассемблера, то есть многопоточность на синтезированном вами процессоре.

8.2. Как выполнять упражнения

Каждый пример — отдельный каталог с одинаковым набором скриптов. Порядок работы обычно такой:

1. Выбрать плату один раз на весь репозиторий:

   ./check_setup_and_choose_fpga_board.bash

2. Зайти в каталог примера и посмотреть файл lab_top.sv — это то, что предлагается изменить.
3. Промоделировать и посмотреть диаграммы:

   ./02_simulate_rtl.bash

4. Собрать и прошить плату:

   ./03_synthesize_for_fpga.bash

Полный перечень скриптов:

Руководство для начинающих с разбором первого примера: verilog-meetup.com — Beginner's guide, а также файл docs/beginner-s-guide-to-basics-graphics-music.md в репозитории.

наверх ↑9. Подробнее о репозитории systemverilog-homework

SVH — это набор небольших задач с автоматической проверкой. Структура простая: в файле задачи есть незаполненный модуль, рядом — тестовое окружение, которое сообщает, прошло решение или нет.

Что нужно: только Icarus Verilog и Git. Плата и САПР не требуются, поэтому SVH удобно начинать сразу, не дожидаясь получения платы.

git clone https://github.com/chipdesignschool/systemverilog-homework.git
cd systemverilog-homework
# внутри каталога задачи:
./run.bash

Темы задач идут от простых комбинационных схем к арифметике, конечным автоматам, конвейерам и интерфейсам с квитированием — то есть к тем же микроархитектурным приёмам, что и раздел 4_microarchitecture в BGM, но без привязки к плате.

Три копии репозитория — как и у BGM; для занятий Школы берите версию chipdesignschool:

наверх ↑10. Синтез примеров в заказную микросхему через Tiny Tapeout

Tiny Tapeout — сервис, который собирает проекты многих участников на один кристалл и отправляет его на фабрику. Такой способ изготовления называется MPW (multi-project wafer) или «шаттл»: стоимость маски делится между всеми участниками, и поэтому изготовление одной небольшой схемы становится доступным для университета, а иногда и для отдельного человека.

Для BGM есть готовый шаблон, который берёт из примера модуль lab_top — то есть ровно тот файл, который учащийся менял, отлаживая пример на плате. Изготовление идёт на фабрике института IHP (Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik) в Германии.

Порядок действий

1. Отладить пример на ПЛИС обычным путём (разделы 8.2 и 4).
2. Локально проверить, что пример проходит синтез в микросхему:

   ./07_synthesize_for_asic.bash
   ./08_visualize_asic_synthesis_results_1.bash

   Это тот же поток RTL-to-GDSII, который применяется и при настоящем изготовлении, поэтому ошибки видны заранее.
3. Создать репозиторий из шаблона Tiny Tapeout и перенести в него lab_top.
4. Отправить проект на очередной шаттл через сайт Tiny Tapeout.

Подробнее:

• habr.com/ru/articles/1084844 — статья о превращении примеров BGM в микросхему;
• verilog-meetup.com — From FPGA to ASIC using template;
• tinytapeout.com — сроки очередных шаттлов и стоимость участия.

наверх ↑11. Дополнительная информация

Документация внутри репозитория

В каталоге docs/ лежат отдельные файлы, которые полезно читать вместе с этой инструкцией:

Статьи и материалы

• Обзор курса Школы синтеза (Хабр)
• Загружаемый SSD с ПО (Хабр)
• Из ПЛИС в микросхему через Tiny Tapeout (Хабр)
• verilog-meetup.com — заметки, руководства по платам Tang на пяти языках, сравнения САПР
• edu.yadro.com/chip-design-school — сайт Школы

Чего в этой инструкции нет

В скриптах репозитория есть поддержка ещё одного САПР — Efinity для ПЛИС Efinix (scripts/steps/00_setup_efinity.source_bash, только под Linux). Установка здесь не описана сознательно: единственная плата на Efinix (Trion T20) лежит в каталоге boards/zzz_postponed_and_retired/, то есть в число действующих плат не входит и в таблицу раздела 3 не попадает. Если такая плата у вас появится, смотрите скрипт: он ищет Efinity по переменной EFINITY_HOME и по команде efinity_sh.sh в PATH.

Где спросить

Чат Школы синтеза цифровых схем — для вопросов по занятиям и по установке. Ошибки и несоответствия в самих примерах лучше оформлять как issue в репозитории: это самый надёжный способ, чтобы о проблеме узнали разработчики.

наверх ↑12. Частые вопросы

Нужно ли ставить все САПР?

Нет. Только тот, который соответствует вашей плате: Quartus для Altera, Vivado для Xilinx, Gowin EDA или OSS CAD Suite для Gowin, OSS CAD Suite для Lattice. Если платы нет, не нужен ни один: примеры моделируются в Icarus Verilog, а задачи SVH выполняются целиком без платы.

У меня нет платы. Можно учиться?

Да. Моделирование в Icarus Verilog с просмотром диаграмм покрывает значительную часть курса, а весь репозиторий SVH вообще не требует платы. Для графики есть возможность посмотреть результат в виде изображения, не имея монитора на плате.

Нужно ли прописывать PATH и переменные окружения?

Нет, если инструменты установлены в стандартные места. Скрипты находят их сами. Переменные (QUARTUS_ROOTDIR, XILINX_VIVADO, GOWIN_VERSION_DIR и остальные) нужны в двух случаях: установка в нестандартном каталоге, либо несколько версий и необходимость выбрать конкретную.

Можно ли держать несколько версий Quartus одновременно?

Да, и для старых плат это обязательно: Cyclone II требует Quartus II 13.0sp1, Cyclone III — 13.1, а современные платы — Quartus Lite 21.1 или новее. Все они спокойно живут рядом, а скрипты выбирают подходящую по микросхеме вашей платы.

Почему скрипт говорит, что ни одна версия Quartus не подходит?

Значит, ни одна из установленных версий не умеет собирать проект под микросхему выбранной платы. В сообщении перечислено, что найдено. Чаще всего это старая плата (нужен Quartus 13.x) или DE23-Lite (нужен Quartus Pro). См. раздел 3.1.

Под Windows скрипты не запускаются

Запускайте их из Git Bash, а не из cmd.exe и не из PowerShell. Git Bash устанавливается вместе с Git (раздел 4.1.8).

Icarus выдаёт ошибки синтаксиса в примерах

Скорее всего, у вас версия 11 или 12. Нужна 13, лучше 14 — часть примеров использует конструкции, которых старые версии не понимают. См. раздел 4.1.5.

Плата не прошивается с первого раза

Переподключите кабель программатора и запустите ./04_configure_fpga.bash — пересобирать проект заново не нужно. Под Linux проверьте правило udev (подраздел 4.2.1.2), в том числе строку для USB Blaster III, если у вас DE23-Lite.

На Mac программа не запускается: «автор не установлен»

Снимите атрибут карантина: xattr -rd com.apple.quarantine ~/oss-cad-suite. См. раздел 4.3.

Какую плату купить, если её ещё нет?

Tang Nano 9K с модулем ЖК-экрана и звуковыми модулями: примерно 60 долларов за комплект, быстрый синтез, работает под всеми тремя операционными системами, включая macOS. Для плат Altera и Xilinx под macOS нужна виртуальная машина.

Где полный список плат?

В разделе 3 этой инструкции и в файле boards/README.md репозитория — он обновляется вместе с кодом.