蜂鳥FPGA開發(fā)板及JTAG下載器詳細說明

1 概述

為了便于初學(xué)者能夠快速地學(xué)習(xí)RISC-V CPU設(shè)計和RISC-V嵌入式開發(fā)，蜂鳥E203開源MCU原型SoC（在本文中將其簡稱為“MCU SoC”或者“SoC”）定制了基于Xilinx FPGA的專用開發(fā)板（在本文中將其簡稱為“FPGA開發(fā)板”）和專用JTAG調(diào)試器（在本文中將其簡稱為“JTAG調(diào)試器”）。

完整的FPGA開發(fā)板原型（包括FPGA開發(fā)板和調(diào)試器）如圖1-1所示。

圖1-1 蜂鳥FPGA開發(fā)板和JTAG調(diào)試器，后文將分別予以詳述。

2 蜂鳥FPGA開發(fā)板概述

2.1 FPGA開發(fā)板總體說明

為了便于蜂鳥FPGA開發(fā)板的使用，F(xiàn)PGA開發(fā)板具備如下特點：

一板兩用，該開發(fā)板不僅可以用于一塊FPGA開發(fā)板作為電路設(shè)計使用，同時由于其預(yù)燒了蜂鳥E203開源SoC（包括E203內(nèi)核），因此其可以直接作為一塊MCU SoC原型開發(fā)板進行嵌入式軟件開發(fā)。即：

(1)對于不懂FPGA軟件開發(fā)的用戶完全無需做任何的操作，該開發(fā)板會預(yù)先燒寫開源的蜂鳥E203 Core和配套SoC，上電后即可當(dāng)做一塊MCU嵌入式開發(fā)板來用。

(2) 對于了解FPGA使用的硬件用戶而言，也可以將其當(dāng)做普通的FPGA 開發(fā)板來燒寫普通的Verilog電路以進行FPGA開發(fā)。

由于其預(yù)先燒寫的蜂鳥E203 Core和配套SoC源代碼完全開源，可以對其任意進行修改或二次開發(fā)。

并且由于開源的蜂鳥E203 MCU SoC的 “FPGA燒寫文件（mcs格式）”會上傳到:

https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/tree/master/fpga/nucleikit/prebuilt_mcs 目錄下，用戶可以隨時重新燒寫此FPGA板將其恢復(fù)成為預(yù)裝的MCU嵌入式開發(fā)板。

2.2 FPGA開發(fā)板的購買途徑

FPGA開發(fā)板的淘寶購買網(wǎng)頁鏈接：

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￥HoCVbR7Z0I3￥

（復(fù)制該鏈接，打開手機淘寶即可查看）

2.3 FPGA開發(fā)板的硬件指標

蜂鳥E203專用FPGA開發(fā)板是一款入門級Xilinx FPGA開發(fā)板，如圖2-1所示。

圖2-1 蜂鳥FPGA開發(fā)板總體圖該FPGA開發(fā)板的硬件特性如下：

使用的FPGA型號為Xilinx XC7A100T。

板載雙晶振設(shè)計：100MHz主時鐘和32.768K RTC時鐘。

配備單獨直流5V供電，并設(shè)有電源開關(guān)，如圖2-1中的“DC：5V供電及開關(guān)”標注。

配備獨立的FPGA_RESET按鍵，用戶可用此按鍵作為FPGA的復(fù)位按鍵。

配備多達126個引出的FPGA GPIO，用于用戶自定義使用。

配備多個電源狀態(tài)指示LED燈。

配備板載的Xilinx Platform Cable USB JTAG下載器，用于對FPGA進行比特流的燒寫，如圖2-1中的“FPGA JTAG”標注。

配備兩顆MT41K128M16JT-125K DDR III 顆粒。

配備獨立的128M-bit FPGA SPI Flash，此Flash用于存儲mcs格式的比特流文件：

（1）熟悉Vivado和Xilinx FPGA使用的用戶應(yīng)該了解，bitstream文件燒錄到FPGA中去之后FPGA不能掉電，因為一旦掉電之后FPGA燒錄的內(nèi)容即丟失，需要重新使用Vivado的Hardware Manager進行燒錄方能使用。為了方便用戶使用，Xilinx的FPGA開發(fā)板可以將需要燒錄的內(nèi)容寫入開發(fā)板上的Flash中（以mcs格式），然后在每次FPGA上電之后通過硬件電路自動將需要燒錄的內(nèi)容從外部的Flash中讀出并燒錄到FPGA之中（該過程非常的快，不影響用戶使用）。由于Flash是非易失性的內(nèi)存，具有掉電后仍可保存的特性，因此意味著將需要燒錄的內(nèi)容寫入 Flash后，每次掉電后無需使用Hardware Manager人工重新燒錄（而是硬件電路快速自動完成），即等效于，F(xiàn)PGA上電即可使用。

（2）除了上電自動對FPGA重新進行燒錄外，用戶還可以通過強行按FPGA開發(fā)板上的“FPGA_PROG”按鍵觸發(fā)硬件電路使用此Flash中的內(nèi)容對FPGA重新進行燒錄。FPGA開發(fā)板上的“FPGA_PROG”按鍵位置請參見圖2-1中標注所示。

為了便于此開發(fā)板直接作為MCU原型嵌入式開發(fā)板使用，將蜂鳥E203開源SoC的頂層引腳直接連到開發(fā)板上，并配有明顯的絲印標注。請參見第2.5節(jié)了解詳細介紹。

為了便于此開發(fā)板作為常規(guī)FPGA開發(fā)板使用，配備分離的撥碼開關(guān)和LED燈，請參見第2.6節(jié)了解詳細介紹。

2.4 FPGA開發(fā)板的電路原理圖

該開發(fā)板的電路原理圖保存于:

https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/tree/master/boards目錄下，請用戶自行查閱。

(查看方式：1.下滑頁面到文章最末，點擊“閱讀原文”查看e200_opensource項目總鏈接；2.在公眾號后臺回復(fù)“鏈接”，即可訪問）

2.5 FPGA開發(fā)板的MCU部分

為了便于此開發(fā)板直接作為MCU原型嵌入式開發(fā)板使用，將“蜂鳥E203開源SoC”（簡稱SoC）的頂層引腳直接連到開發(fā)板上，并配有明顯的絲印標注，詳細描述如圖2-2中所示，其要點如下：

FPGA預(yù)先燒寫成為“蜂鳥E203開源MCU SoC”（簡稱SoC）

為了實現(xiàn)MCU的功能，在FPGA開發(fā)板上專門配備了一個Nor Flash用于存儲MCU的軟件程序。

MCU SoC的兩個輸入時鐘輸入分別按照如下方式產(chǎn)生：

（1）低速的實時時鐘直接由FPGA開發(fā)板上的32.768KHz時鐘源輸入（2）高速時鐘由FPGA開發(fā)板上的100MHz時鐘經(jīng)過FPGA內(nèi)部PLL降頻而得（16MHz）。

將SoC的相關(guān)輸入輸出管腳明確的做到FPGA開發(fā)板上，并且用印刷字體明確的表明端口號。

有關(guān)此SoC的輸入輸出管腳列表的詳細信息,

請參見https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/blob/master/doc目錄下的文檔《蜂鳥E203開源SoC簡介》。

注意：所有的管腳都只是映射到FPGA內(nèi)部的普通端口（雙向IO）上，然后通過FPGA Project通過設(shè)置端口映射把FPGA端口映射到這些外部預(yù)定義的開發(fā)板引腳。有關(guān)FPGA Project的詳細信息請參見：https://github.com/SIRISCV/e200_opensource/blob/master/doc 目錄下的文檔《蜂鳥E203快速上手介紹》。

更多詳細描述如圖2-2中所示。

圖2-2 蜂鳥FPGA開發(fā)板的MCU定制部分

2.6 FPGA開發(fā)板的常規(guī)功能部分

為了便于此開發(fā)板作為常規(guī)FPGA開發(fā)板使用，配備分離的撥碼開關(guān)和LED燈，如圖2-3中所示。

注意：此組撥碼開關(guān)和LED并沒有被連接到FPGA的管腳上，用戶可以自由的進行跳線使其控制開發(fā)板上的其他信號。如圖2-3中所示，用戶可以通過用杜邦線跳線將“撥碼開關(guān)”與MCU SoC的GPIO接口連接，相當(dāng)于通過撥碼開關(guān)來產(chǎn)生GPIO的輸入，從而可以編程構(gòu)建形象化的簡單Demo。

圖2-3 蜂鳥FPGA開發(fā)板的撥碼開關(guān)和LED燈以及跳線示例

2.7 燒寫蜂鳥E203項目至FPGA開發(fā)板

有關(guān)如何燒寫蜂鳥E203項目（包括SoC和處理器內(nèi)核）至此FPGA開發(fā)板的具體操作步驟，請參見https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/blob/master/doc目錄下的文檔《蜂鳥E203快速上手介紹》。

2.8 使用FPGA開發(fā)板進行軟件開發(fā)與調(diào)試

有關(guān)如何使用FPGA開發(fā)板進行軟件開發(fā)與調(diào)試的具體操作步驟，請參見https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/blob/master/doc目錄下的文檔《蜂鳥E203快速上手介紹》。

(查看方式：1.下滑頁面到文章最末，點擊“閱讀原文”查看e200_opensource項目總鏈接；2.在公眾號后臺回復(fù)“鏈接”，即可訪問）

3 蜂鳥JTAG調(diào)試器

3.1 JTAG調(diào)試器總體說明

圖3-1 蜂鳥E203專用的JTAG調(diào)試器

為了便于初學(xué)者能夠快速地學(xué)習(xí)RISC-V嵌入式開發(fā)，“蜂鳥MCU SoC”定制了專用的JTAG調(diào)試器，該調(diào)試器具有如下特性：

調(diào)試器的一端為普通U盤接口，便于直接將其插入主機PC的USB接口，另一端為標準的4線JTAG接口和2線UART接口。

調(diào)試器具備USB轉(zhuǎn)JTAG功能，通過標準的4線JTAG接口與蜂鳥E203 FPGA開發(fā)板連接。由于蜂鳥E203 內(nèi)核支持標準的JTAG接口，通過此接口可以程序下載或進行交互式調(diào)試。