FPGA (MachXO2) の書き込み

Lattice SemiconductorのFPGA LCMXO2-256HC（MachXO2シリーズ）は、以下のような利点があります。

• 秋月電子で安く購入できる（在庫限りになってしまったが）
• 外付けのコンフィグレーションROMが不要で、ICひとつで完結する（CPLDのように使える）

日本語資料があまり無いので、書き込んで動かせるようにするまでの一連の手順を解説します。

はじめに

動作確認環境

	環境 1a	環境 2b
OS	Windows 11	Windows 10
CPU	AMD, RIZEN 7 3700X	Intel, Core i7-3770
開発環境	Diamond v3.12	Diamond v3.12
使用言語	Verilog HDL	Verilog HDL
書込ケーブル		秋月電子, AE-FT2232

• a: Verilog HDLの編集とコンパイルまで
• b: Verilog HDLの編集とコンパイル、FPGAへの書き込みまで

全体の流れ

1. Diamondのインストール
2. ライセンス認証
3. Verilog HDLファイル (***.v)の作成
4. 制約ファイル (***.ucf)の作成
5. 基板との接続
6. プログラムの書き込み

Diamondのインストール

インストーラは、Lattice Diamond設計ソフトウェアのページからDiamond 3.13 64-bit for WindowsなどOSに合わせてダウンロードします。執筆時のバージョンは3.13。

Lattice Diamondのダウンロードページ

ライセンス認証

まず、Latticeのウェブサイトのアカウント作成ページでアカウントを作成し、サインインします。

次に、Lattice Diamond設計ソフトウェアのページでライセンスを取得をクリックしてページを移動します。さらに、‘’Request Diamond Free License’’の項目からRequest Node-locked Licenseを選択します。

ライセンス認証 1

ライセンス認証 2

‘’Host NIC (physical address)’‘の入力欄に、PCの物理アドレス（MACアドレス）を12文字で入力（-や:は消す）。Windowsの場合は、コマンドプロンプトでipconfig/allと入力することで調べられます。’‘I verify that…’’にチェックを入れ、下の方にあるGenerate Licenseをクリックすることで、ライセンスファイルがメールで送られてきます。

オプションでいくつかのフリーIPのライセンスも取得できるので、必要がある場合は選択します。私の場合は不要だったのでスルーです。

ライセンス認証 3

ライセンスファイルlicense.datは、インストールフォルダの中の~\lscc\diamond\3.12\licenseフォルダなどに置いておきます。Diamondの起動時にライセンスファイルのある場所を聞かれるので、答えると環境変数が設定されます。うまくいかない場合には、手動でシステム変数LM_LICENSE_FILEの値にライセンスファイルのパスを設定。

Warning

リモートデスクトップでは、正しい手順を踏んでもライセンスが認証されません。現段階では、Lattice Diamondはリモートデスクトップでは使用できないようです。

新規プロジェクトの作成

1. メニューバーからFile→New→Projectの順に選択するか、スタートページ・ビュー左上部のProjectセクションでNew...を選択。
2. 指示に従ってデバイス等を選択。プロジェクト生成の際、プロジェクトフォルダは自動生成されないので、あらかじめ作業フォルダを作っておく。
3. Projectセクションの入力。
   1. Name → プロジェクト名（英数字とアンダースコアのみ可）
   2. Location → プロジェクトフォルダの指定
4. Implementationセクションの入力
   1. Name → インプリメンテーション名。デフォルトはimpl1。
5. ソースファイルのインポート。必要なファイル（既存のHDLソースや制約ファイル）を選択する。Copy source to...にチェックを入れておくと、ファイルをプロジェクトフォルダにコピーしてそれをインポートする。ソースファイルのインポートはプロジェクト作成後でも可。
6. デバイスの選択。デバイス、スピードグレード、パッケージを選択。プロジェクト作成後でも変更可。
7. 論理合成ツールの選択。デフォルトはLSE (Lattice Synthesis Engine)。プロジェクト作成後でも変更可。

Verilog HDLファイル (***.v) の作成

File Listタブの中のインプリメンテーションファイル名→Input Filesの中に置かれます。ダブルクリックするとエディタが開きます。

制約ファイル (***.lpf) の作成

File Listタブの中のインプリメンテーションファイル名→LPF Constraint Filesの中に置かれる。ダブルクリックするとテキストエディタが開く。

LPF制約ファイルは、Spreadsheet ViewのGUIで各種制約を設定することで書き出せます。ユーザーI/O（RTL記述で宣言されたI/O）のピンアサインをする方法は、以下の通り。

• ポート名に対してピン番号を指定（Port Assignmentsシートで行う）
• ピン番号に対してポート名を指定（Pin Assignmentsシートで行う）

基板との接続

純正のプログラマケーブル (HW-USBN-2B) は高価なので、最低限の機能を秋月電子のUSB-Serial変換モジュールで実現します。

HW-USBN-2B

仕様部材

• 秋月電子, FT2232D USBシリアル2ch変換モジュール
• USBケーブル（Type A-mini B）
• ブレッドボード
• ブレッドボード用ジャンパーワイヤー

AE-FT2232

接続

AE-FT2232のJTAGのピンアサインは以下の通り。

AE-FT2232ピン名	接続先JTAG信号名
VCCIOA	VCC
VCCIOB	VCC
AD0	TCK
AD1	TDI
AD2	TDO
AD3	TMS
GND	GND

各信号のプルアップ/プルダウンは接続先の開発ボード/デバイスに合わせます。ここでは、接続先の基板においてTCK、TDI、TDO、TMSが10kΩで3.3 Vにプルアップされているとして、変換モジュール回路上では特に変更しません。

また、チャンネルAのロジックVCCには接続先の基板の3.3 Vを使用するとして、JP2Aジャンパーを外してVCCIOAに接続先基板のVCC 3.3 Vを繋ぎます。チャンネルBは使用しませんが、同様にJP2Bジャンパーも外してVCCIOBに接続先基板のVCC 3.3 Vに繋いでおきます。

主電源にはUSBバスパワー5 Vを使用するので、JP1ジャンパーは取り付けたままにします。

ドライバのインストール

FTDIのサイトからドライバを入手。VCP Driversを選択して、OSに対応したドライバをダウンロードして流れに沿ってインストールします。

※ Windows11 x64の場合、2023/1/8時点でのダウンロードファイル名はCDM212364_Setup.zipでした。

インストールが完了すると、USBケーブルでPCに接続したときに、デバイスマネージャー上で2つのCOMポートが認識されます。

Diamondでの設定

モジュールのデータシートでは、保証されるTTLレベルの通信速度は最大3 Mbps。一方、Diamondの初期設定は6 Mbpsなので、Programmerウィンドウ右側のProgrmmer Speed Setting部、TCK Divider Settingで周波数を変更します。Use custom Clock Dividerをチェックし、Divider値を任意の値に変更することによって、周波数を下げられます。

プログラムの書き込み

コンパイル

1. ProcessタブのExport Filesの下のJEDEC Fileにチェックを入れて、右クリックメニューからRunを実行
2. Map Design → Place & Route Design → Export Files の順に実行されて、***.jedファイルが生成される

生成されたJEDファイルの書き込み

1. Tools → Programmer を開くと、JTAGの接続を聞いてくるので、FTDIのデバイスを選択
2. Detect Cable で USB2 - FTUSB-0 (Dual RS232 A Location 0000) の方を選択
3. Use custom Clock Divider をチェックし、Divider値を任意の値に設定
   1. USB-Serial変換モジュールの仕様上は2以上であればOKですが、試してみたら10分周でようやく書き込めました。ブレッドボードとジャンパーケーブルで接続したのが良くなかったかもしれません。
4. Device Family Device File Name の項目を正しく設定して、プログラムアイコンをクリックしてコンフィグレーション開始
5. Status が PASS となれば完了