蜂鳥FPGA開發(fā)板及蜂鳥JTAG下載器講解說明

2 蜂鳥E203開源SoC

對(duì)于一個(gè)處理器核，還需要配套的SoC才能具備完整的功能。 蜂鳥E203內(nèi)核不僅僅完全開源了Core的實(shí)現(xiàn)，還搭配完整的開源SoC平臺(tái)，請(qǐng)參見《蜂鳥E203開源SoC簡介》（本篇即將發(fā)布，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注公眾號(hào)；或點(diǎn)擊https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource 查看詳情）了解更多SoC的介紹與信息。

蜂鳥E203開源SoC的代碼結(jié)構(gòu)如下所示。

各個(gè)主要的代碼模塊簡述如下：

general目錄主要用于存放一些通用的Verilog RTL模塊供整個(gè)SoC公用，譬如一些DFF（D觸發(fā)器寄存器）定義文件，ICB總線的基礎(chǔ)模塊等等。

core目錄主要用于存放處理器核模塊的Verilog RTL代碼。e203_cpu_top是蜂鳥E203處理器核的頂層。

fab目錄主要實(shí)現(xiàn)SoC中ICB Bus Fabric模塊的Verilog RTL代碼。 sirv_icb1to4_bus.v, sirv_icb1to8_bus.v或者sirv_icb1to16_bus.v實(shí)際例化調(diào)用了sirv_icb_splt模塊將一組ICB總線按照地址區(qū)間分發(fā)成為4組，8組或者16組ICB總線。

subsys目錄包含了SoC的主體頂層模塊的Verilog RTL代碼，其中e203_subsys_top是事實(shí)上的SoC頂層文件，它例化了Main Domain模塊（e203_subsys_main.v）和Always-onDomain模塊（e203_aon_top.v）。e203_subsys_mems模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)存儲(chǔ)總線（System Memory Bus），通過調(diào)用例化sirv_icb1to8_bus模塊并且配置其參數(shù)的方式來配置每個(gè)從設(shè)備的地址區(qū)間。e203_subsys_perips模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)備總線（System Peripheral Bus），通過調(diào)用例化sirv_icb1to16_bus模塊并且配置其參數(shù)的方式來配置每個(gè)從設(shè)備的地址區(qū)間。除了已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的從設(shè)備，還預(yù)留了地址區(qū)間實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)（sysmem），外部外設(shè)（sysper）和外部快速IO（sysfio）總線接口。

mems目錄主要用于存放memory模塊的Verilog RTL代碼，由于Memory的具體實(shí)現(xiàn)依賴于芯片生產(chǎn)加工廠（foundry）譬如SIMC或者TSMC的Memory宏單元，因此本文件夾下的Verilog RTL代碼僅僅是行為模型。

perips目錄主要用于存放各種外設(shè)（Peripherals）模塊的Verilog RTL代碼，譬如GPIO，UART，SPI等。大部分的Peripherals的Verilog RTL代碼是直接復(fù)制于SiFive的Freedom E310項(xiàng)目中Chisel語言生成的出的Verilog RTL代碼，在此基礎(chǔ)上將其TileLink總線接口修改成了ICB總線接口，如圖3-5中所示的GPIO模塊ICB總線接口。

debug目錄包含了SoC中有關(guān)debugger調(diào)試器模塊的Verilog RTL代碼。

soc目錄主要用于存放SoC頂層模塊的Verilog RTL代碼。e203_soc_top.v是一個(gè)簡單地頂層SoC Wrapper模塊，將e203_subsys_top進(jìn)行例化。另外由于e203_subsys_top模塊輸出的sysmem，sysfio和sysmem總線在此FPGA SoC中并沒有連接任何外部從設(shè)備。為了防止軟件程序訪問到這些總線接口的地址區(qū)間無任何返回而掛死，在e203_soc_top頂層模塊中將這些ICB總線的Command Channel信號(hào)直接反接到其Response Channel，同時(shí)將Response Channel中的其他返回信號(hào)連接成常數(shù)0。

3搭建FPGA原型平臺(tái)

我們?yōu)榉澍BE203開源SoC定制了專用的FPGA原型開發(fā)板和JTAG調(diào)試器， E203開源項(xiàng)目基于該FPGA開發(fā)板，使用蜂鳥E203開源SoC搭建完整的原型平臺(tái)與示例。

FPGA原型主要分為兩部分：FPGA開發(fā)板，和調(diào)試器。接下來章節(jié)分別予以介紹。完整的FPGA開發(fā)板原型（包括FPGA開發(fā)板和調(diào)試器）如圖3-1所示。

圖3-1 FPGA開發(fā)板原型（包括JTAG調(diào)試器）

3.1FPGA開發(fā)板和項(xiàng)目介紹

蜂鳥E203專用FPGA開發(fā)板是一款低成本的入門級(jí)XilinxFPGA開發(fā)板，如圖3-2所示。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(jì)使用，同時(shí)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(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)。

有關(guān)此FPGA開發(fā)板的詳細(xì)介紹請(qǐng)參見《蜂鳥FPGA開發(fā)板和JTAG調(diào)試器介紹》。

若想購買此開發(fā)板，用戶可以在E203開源項(xiàng)目的Github網(wǎng)頁上（https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/tree/master/boards）了解此開發(fā)板的購買渠道。

圖3-2 蜂鳥E203專用FPGA開發(fā)板

E203開源項(xiàng)目FPGA項(xiàng)目相關(guān)的代碼結(jié)構(gòu)如下所示。

FPGA項(xiàng)目通過Makefile（fpga/common.mk文件）將添加一個(gè)特殊的宏FPGA_SOURCE至Core的宏文件中，如圖3-3所示。所以最終用于編譯FPGA比特流的RTL源代碼必須包含此宏（FPGA_SOURCE）。

圖3-3 FPGA項(xiàng)目宏定義文件中添加FPGA_SOURCE

在FPGA的頂層模塊（system.org）中除了例化SoC的頂層（e203_soc_top）之外，主要是使用Xilinx的I/O Pad單元例化頂層的Pad。另外使用Xilinx的MMCM單元生成時(shí)鐘。注意：SoC的MainDomain使用的MMCM產(chǎn)生的高速時(shí)鐘連接到SoC的hfextclk，Always-On Domain使用的是開發(fā)板上的低速實(shí)時(shí)時(shí)鐘（32.768KHz）。

蜂鳥E203開源SoC的頂層I/O Pad經(jīng)過FPGA的約束文件（nuclei-master.xdc）進(jìn)行約束使之連接到FPGA芯片外部的引腳上面（譬如將JTAG I/O約束到開發(fā)板的MCU_JTAG插口引腳上）。

3.2生成mcs文件燒寫FPGA

在前文中介紹了E203開源項(xiàng)目的SoC整體架構(gòu)和Verilog RTL代碼，為了使得該SoC能夠真正運(yùn)行在FPGA硬件上，需要將其編譯成為bitstream文件然后燒錄到FPGA中去?？梢允褂萌缦虏襟E進(jìn)行編譯和燒錄。

//步驟一：準(zhǔn)備好自己的電腦環(huán)境，可以在公司的服務(wù)器環(huán)境中運(yùn)行，如果是個(gè)人用戶，推薦如下配置：

（1）使用VMware虛擬機(jī)在個(gè)人電腦上安裝虛擬的Linux操作系統(tǒng)。

（2）由于Linux操作系統(tǒng)的版本眾多，推薦使用Ubuntu16.04版本的Linux操作系統(tǒng)有關(guān)如何安裝VMware以及Ubuntu操作系統(tǒng)本文不做介紹，有關(guān)Linux的基本使用本文也不做介紹，請(qǐng)用戶自行查閱資料學(xué)習(xí)。

//步驟二：安裝Xilinx Vivado軟件至此虛擬機(jī)Linux操作系統(tǒng)中。有關(guān)如何安裝Xilinx Vivado軟件本文不做介紹，請(qǐng)用戶自行查閱資料了解。

//步驟三：將e200_opensource項(xiàng)目下載到本機(jī)Linux環(huán)境中，使用如下命令：

git clonehttps://github.com/SI-RISCV/e200_opensource.git

//經(jīng)過此步驟將項(xiàng)目克隆下來，本機(jī)上即可具有如前文所述完整的e200_opensource目錄文件夾，假設(shè)該目錄為，后文將使用該縮寫指代。

//步驟四：設(shè)置需要編譯的Core的具體型號(hào)，使用如下命令：

cd /fpga

//進(jìn)入到e200_opensource目錄文件夾下面的fpga目錄。

make install CORE=e203

//運(yùn)行該命令指明需要為e203內(nèi)核進(jìn)行編譯，該命令會(huì)在fpga目錄下生成一個(gè)install子文件夾，在其中放置Vivado所需的腳本，且將腳本中的關(guān)鍵字設(shè)置為e203。

//步驟五：生成bitstream文件或者mcs文件（推薦使用mcs文件），使用如下命令：

make bit

//運(yùn)行該命令將調(diào)用Vivado軟件對(duì)VerilogRTL進(jìn)行編譯生成bitstream文件生成的bitstream文件名和路徑為

/fpga/nucleikit/obj/system.bit。該bitstream文件則可以使用Vivado軟件的HardwareManager功能將system.bit燒錄至FPGA中去。

//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?yàn)橐坏┑綦娭驠PGA燒錄的內(nèi)容即丟失，需要重新使用Vivado的Hardware Manager進(jìn)行燒錄方能使用。

//為了方便用戶使用，Xilinx的Arty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，然后在每次FPGA上電之后通過硬件電路自動(dòng)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(dòng)完成），即等效于，F(xiàn)PGA上電即可使用。有關(guān)此特性的詳細(xì)原理與描述，本文不做贅述，請(qǐng)用戶自行參閱Arty開發(fā)板手冊(cè)。

//為了能夠?qū)汧PGA的內(nèi)容寫入Flash中，需要生成mcs文件，使用如下命令：

make mcs

//運(yùn)行該命令將調(diào)用Vivado軟件對(duì)VerilogRTL進(jìn)行編譯生成mcs文件生成的mcs文件名和路徑為/fpga/nucleikit/obj/system.mcs。該mcs文件則可以使用Vivado軟件的HardwareManager功能將system.mcs燒錄至FPGA開發(fā)板中的Flash中去。

如何使用Vivado的HardwareManager燒寫mcs文件至FPGA開發(fā)板上的Flash中去，參考如下步驟。

//前提步驟1：將FPGA開發(fā)板的“FPGA JTAG接口”通過USB連接線與電腦的USB接口連接。開發(fā)板的“FPGA JTAG接口”的位置請(qǐng)參見圖3-2中標(biāo)注所示。

//前提步驟2：將FPGA開發(fā)板的“DC：5V供電及開關(guān)”通過USB連接線與電腦USB接口或者電源插座連接，并將“開關(guān)”撥開，對(duì)FPGA開發(fā)板進(jìn)行供電。開發(fā)板的“DC：5V供電及開關(guān)”的位置請(qǐng)參見圖3-2中標(biāo)注所示。

//步驟一：打開Vivado軟件。

//步驟二：打開Hardware Manager，會(huì)自動(dòng)連接FPGA開發(fā)板（如果前提步驟1操作正確）。如圖3-4和圖3-5所示。

//步驟三：右鍵FPGA Device，選擇“Add Configuration Memory Device”。如圖3-6所示。

//步驟四：選擇如下參數(shù)的Flash，如圖3-7所示：

Part n25q128-3.3v

Manufacturer Micron

Family n25q

Type spi

Density 128

Width x1 x2 x4

//步驟五：彈出“Do you want to program the configuration memory device now?”，選擇OK

//步驟六：在彈出的窗口中的對(duì)話框中選擇添加

/fpga/nucleikit/system.mcs，然后選擇OK，則開始燒寫Flash，可能會(huì)花費(fèi)幾十秒的時(shí)間等待。

//步驟七：一旦燒寫Flash成功，則可以通過按開發(fā)板上的“FPGA_PROG”按鍵觸發(fā)硬件電路使用Flash中的內(nèi)容對(duì)FPGA重新進(jìn)行燒錄。

注意：FPGA燒寫成功之后，則可以無需再連接“FPGA JTAG接口”的USB連接線。

圖3-4打開Vivado Hardware Manager

圖3-5使用Vivado Hardware Manager連接Arty開發(fā)板

圖3-6 FPGA Device選擇AddConfiguration Memory Device

圖3-7 選擇Flash類型

3.3JTAG調(diào)試器

圖3-8 蜂鳥E203專用FPGA開發(fā)板的MCU_JTAG插槽

為了支持使用GDB進(jìn)行交互式調(diào)試或者通過GDB動(dòng)態(tài)下載程序到處理器中運(yùn)行，需要為FPGA原型平臺(tái)配備一個(gè)JTAG調(diào)試器（JTAG Debugger），E203內(nèi)核支持通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，且SoC頂層JTAG的I/O Pad連接到了 FPGA芯片的pin腳上，而該組pin腳在E203專用FPGA開發(fā)板上實(shí)際被連接到MCU_JTAG插槽上，如圖3-8中黃色圓圈所示。

我們?yōu)镋203內(nèi)核定制了專用的“JTAG調(diào)試器”，如圖3-9中黃色圓圈所示。

圖3-9 蜂鳥E203專用的JTAG調(diào)試器

有關(guān)此JTAG調(diào)試器的詳細(xì)介紹請(qǐng)參見《蜂鳥FPGA開發(fā)板和JTAG調(diào)試器介紹》。

若想購買此JTAG調(diào)試器，用戶可以在E203開源項(xiàng)目的Github網(wǎng)頁上（https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/tree/master/boards）了解此JTAG調(diào)試器的購買渠道。

由于“JTAG調(diào)試器”將其與上游主機(jī)PC的USB接口連接，因此上游PC的USB端口需要正確的設(shè)置以保證其有正確的權(quán)限。以Ubuntu 16.04為例，可以使用如下步驟進(jìn)行配置。

//步驟一：準(zhǔn)備好自己的電腦環(huán)境，可以在公司的服務(wù)器環(huán)境中運(yùn)行，如果是個(gè)人用戶，推薦如下配置：

（1）使用VMware虛擬機(jī)在個(gè)人電腦上安裝虛擬的Linux操作系統(tǒng)。

（2）由于Linux操作系統(tǒng)的版本眾多，推薦使用Ubuntu16.04版本的Linux操作系統(tǒng)有關(guān)如何安裝VMware以及Ubuntu操作系統(tǒng)本文不做介紹，有關(guān)Linux的基本使用本文也不做介紹，請(qǐng)用戶自行查閱資料學(xué)習(xí)。

//步驟二：使用“JTAG調(diào)試器”將主機(jī)PC與FPGA開發(fā)板連接，如圖4-9中圓圈所示。注意使該USB接口被虛擬機(jī)的Linux系統(tǒng)識(shí)別（而非被Windows識(shí)別），如圖4-10中圓圈所示，若USB圖標(biāo)在虛擬機(jī)中顯示為高亮，則表明USB被虛擬機(jī)中Linux系統(tǒng)正確識(shí)別（而非被Windows識(shí)別），將FPGA開發(fā)板通電。

//步驟三：使用如下命令查看USB設(shè)備的狀態(tài)：

lsusb //運(yùn)行該命令后會(huì)顯示如下信息。

...

Bus 001Device 029: ID 15ba:002a Olimex Ltd. ARM-USB-TINY-H JTAG interface

//步驟四：使用如下命令設(shè)置udev rules使得該USB設(shè)備能夠被plugdev group所訪問:

sudo vi /etc/udev/rules.d/99-openocd.rules

//用vi打開該文件，然后添加以下內(nèi)容至該文件中，然后保存退出。

# These arefor the Olimex Debugger for use with Arty Dev Kit

SUBSYSTEM=="usb",ATTR{idVendor}=="15ba",

ATTR{idProduct}=="002a",MODE="664", GROUP="plugdev"

SUBSYSTEM=="tty",ATTRS{idVendor}=="15ba",

ATTRS{idProduct}=="002a",MODE="664", GROUP="plugdev"

//步驟五：使用如下命令查看該USB設(shè)備是否屬于plugdev group:

ls /dev/ttyUSB* //運(yùn)行該命令后會(huì)顯示類似如下信息。

/dev/ttyUSB0/dev/ttyUSB1

ls -l/dev/ttyUSB1 //運(yùn)行該命令后會(huì)顯示類似如下信息。

crw-rw-r-- 1root plugdev 188, 1 Nov 28 12:53 /dev/ttyUSB1

//步驟六：將你自己的用戶添加到plugdev group中：

whoami

//運(yùn)行該命令能顯示自己用戶名，假設(shè)你的自己用戶名顯示為your_user_name。運(yùn)行如下命令將your_user_name添加到plugdev group中sudo usermod -a -G plugdev your user name。

//步驟七：確認(rèn)自己的用戶是否屬于plugdev group：

groups //運(yùn)行該命令后會(huì)顯示類似如下信息。

... plugdev...

//只要從顯示的groups中看到plugdev則意味著自己的用戶屬于該組,表示設(shè)置成功 。

圖3-10 虛擬機(jī)Linux系統(tǒng)識(shí)別USB圖標(biāo)

在下一章將介紹利用該JTAG調(diào)試器如何使用GDB軟件對(duì)蜂鳥E203 SoC原型進(jìn)行程序下載或遠(yuǎn)程調(diào)試。

3.4 FPGA原型平臺(tái)DIY總結(jié)

至此，我們將以上論述的加以總結(jié)，為了能夠搭建完整的FPGA原型平臺(tái)，用戶需要做如下硬件的準(zhǔn)備：

購買一塊蜂鳥E203專用FPGA開發(fā)板

購買一塊蜂鳥E203專用JTAG調(diào)試器

用戶需要做如下軟件的準(zhǔn)備：

推薦安裝VMware虛擬機(jī)且安裝Linux操作系統(tǒng)于虛擬機(jī)中

安裝Xilinx的Vivado軟件

在下一章將介紹如何使用燒錄后的FPGA原型平臺(tái)運(yùn)行真正的軟件示例。