[FPGA] 1、Artix-7 35T Arty FPGA 评估套件学习 + SiFive risc-v 指令集芯片验证

时间	作者	版本	备注
2018-10-09 08:38	beautifulzzzz	v1.0	到3
2018-10-18 07:23	beautifulzzzz	v2.0	risc-v (4)

1、简介

xlinx官网地址： https://china.xilinx.com/products/boards-and-kits/arty.html

1.1 产品描述

售价 99 美元的 Arty 评估套件可为各种嵌入式应用实现快捷跨越式启步，其中包括从基于 Linux 的计算密集型系统到轻量级微控制器等各种应用。 针对 Xilinx 业界最佳低端产品性能功耗比 Artix®-7 35T FPGA 精心设计Arty 套件具有 Xilinx 可针对几乎任何处理器使用案例进行定制的 MicroBlaze™ 处理器。

1.2 主要性能和优势

• Artix-7 XC7A35T-L1CSG324I FPGA
• 片上模数转换器 (XADC)。
• JTAG 与 Quad-SPI Flash 可编程
• 256 MB DDR3L 支持速率为 667 MHz 的 16 位总线
• 16 MB Quad-SPI Flash
• 10/100 Mb/s Ethernet
• USB-UART Bridge
• 开关、按钮、RGB LED
• 4 个 Pmod 接口 (32 I/O)
• Arduino/ChipKit“盾”接插件 (49 I/O)

1.3 特色 Xilinx 器件

项目	个数
逻辑单元	33,280
DSP Slice	90
存储器	1,800
GTP 6.6Gb/s 收发器	4
I/O 引脚	250

注：包含 Artix-7 XC7A35T-L1CSG324I FPGA

1.4 电路板特性

下图是整个开发板上资源的概览，更详细的可以参考：

• ARTY 电路板用户指南
• ARTY 原理图
• ARTY 方框图

注：板子自带JTAG，用于烧写FPGA固件的，DEBUG得用外置工具

1.5 视频资源

• 介绍用开发IDE如何连接到开发板、烧写程序、及一些简单的介绍

    打开vivado，将开发板用一根数据线连接到电脑上，点击设备管理找到对应的设备；在工程页面，双击XADC可以出来一个温度曲线（这个视频花很大篇幅讲了XADC）；右键点击xc7a35t，选择program device可以烧写程序；

• 使用 Arty Eval Kit 在 Artix-7 A35T 器件上评估 AMSXADC

    了解如何快速简单地在 Artix-7 A35T Arty 评估套件上不用任何 HDL而使用简单有效的 IPI 内置设计来评估 Xilinx 模拟混合信号 (AMS) 技术。 视频还展示了一些 TCL 脚本，通过 Vivado 轻松与 XADC 交互并后置处理数据。

• MicroBlaze WebServer Demo for the ARTY Evaluation Kit

    展示了用freeRTOS工程的网络接口，做一个webserver

2、深入

START地址： https://reference.digilentinc.com/reference/programmable-logic/arty/start

2.1 两种开发方法HDL/SOC

FPGA让Arty变得非常灵活。在众多的特点中，FPGAs有能力转换成定制的软件定义的片上系统（SoC）。这些“软SOC”FPGA配置使用图形化的工具ViVADO IP积分器（Vivado IPI）来设计。在这个工具中，从广泛的库中拖动预构建的外围块，并根据需要放入处理系统。这些预构建的外围设备包括定时器、UART/SPI/IIC控制器以及通常在SoC或微控制器中找到的许多其他设备。厉害的用户还会发现，他们可以用硬件定义语言（HDL），特别是Verilog或VHDL，来创建自己的外围块。对于那些对学习HDL不感兴趣的人来说，Xilinx高级合成工具可以通过用C编写自定义外围块来定义它们。

ARTY的软SOC配置由MyBLAZE处理器核心提供。MixBRAZE是32位RISC软处理器内核，专门设计用于Xilinx FPGA。Arty SoC配置中的MicroBlaze处理器通常以100MHz运行，不过可以设计您的SoC，使其能够在200MHz上运行。Arty通过提供16MB的非易失性程序内存和256MB的DDR3L RAM，支持具有要求高的内存需求的大型MicroBlaze程序。

在设计好SOC配置之后，Xilinx也提供了工具用于在软核上应用程序开发。这是通过将您的SoC设计导出到Vivado IPI中并导入到Xilinx软件开发包（XSDK）中来完成的，它是一个用于设计/调试C中的MicroBlaze程序的集成开发环境（IDE）。在IPI到XSDK切换之后，XSDK被自动配置为包括用于SoC中包括的外围块的库和示例。此时，编程Arty非常类似于编程其他SoC或微控制器平台：程序用C编写，通过USB编程到板上，然后可选地在硬件中调试。软SoC配置和MicroBlaze程序也可以加载到16MB非易失性程序存储器中，以便在Arty上电后立即执行。

尽管Arty特别适合Microblaze软SoC设计，它也可以像其他FPGA开发一样在门电路级别编程。此设计流程要求您在Vivado中使用HDL描述RTL电路，并且它不使用Vivado IPI或XSDK工具。这种设计有许多优点，但与编程单板计算机非常不同，而是由熟悉FPGA设计或对设计和实现不包含处理器的数字电路感兴趣的人使用。

2.2 电路板电源供应系统

复杂电路一般都有多个芯片负构成整体电源系统，Arty板子也同样具备该系统：输入包括7～15V的DC接口和Micro-USB接口；其中DC接口后还接了一个ADP2384芯片，用于将输入电压降到5V；5V电压经过ADP5052芯片分压成多种电压，供后级系统使用；特别的ERF3012芯片用于将ADP5052电压稳定到1.25V，用于XADC的VREF：

下表是电源系统各路的去向：

Supply	Circuits	Device	Current (max/typical)
5V	Onboard Regulators, RGB LEDs	IC12: Analog Devices ADP2384	3.5A/0.375A to 2A
3.3V	FPGA I/O, Clocks, Flash, PMODs, LEDs, Buttons, Switches, USB port, Ethernet	IC11: Analog Devices ADP5052	2.2A/NA
0.95V	FPGA Core and Block RAM	IC11: Analog Devices ADP5052	1.0A/0.2A to 0.8A
1.8V	FPGA Auxiliary	IC11: Analog Devices ADP5052	1.0A/NA
1.35V	DDR3L and associated FPGA bank	IC11: Analog Devices ADP5052	1.0A/NA
1.25V	XADC Analog Reference	IC13: Texas Instruments REF3012	25mA/NA

3、DEMO

3.1 闪灯DEMO

Getting Started with Vivado : https://reference.digilentinc.com/vivado/getting_started/start

0) sudo 打开工程：

source /opt/Xilinx/Vivado/2018.2/settings64.sh
sudo /opt/Xilinx/Vivado/2018.2/bin/vivado

1) 创建新工程，命令为blink：

注：视频中创建blink文件的时候，clk and led 输入输出属性弄错了，真正的是：clk是output, led是input

其中包含两个重要文件，第一个是板子文件，另一个是自己创建的verilog文件。对于板子文件要和自己的开发板相匹配，此外，对于本工程需要修改下板子文件(增加clk和led):

## Clock signal
#set_property -dict { PACKAGE_PIN E3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CLK100MHZ }]; #IO_L12P_T1_MRCC_35 Sch=gclk[100]
#create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { CLK100MHZ }];
set_property -dict { PACKAGE_PIN E3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { clk }]; #IO_L12P_T1_MRCC_35 Sch=gclk[100]
create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { clk }];

...

## LEDs
set_property -dict { PACKAGE_PIN H5    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led }]; #IO_L24N_T3_35 Sch=led[4
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H5    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[0] }]; #IO_L24N_T3_35 Sch=led[4]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J5    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[1] }]; #IO_25_35 Sch=led[5]

自己创建的.v文件为：

module blink(
    input clk,
    output led
    );

reg [24:0] count = 0;
assign led = count[24];
always @ (posedge(clk)) count <= count + 1;
    
endmodule

这样blink工程实现的功能便是：周期性的控制开发板上的LED0闪烁

2) 编译烧写：

接下来便是编译+烧写，编译需要先点击三角形（RUN）进行编译，然后再点击三角形右边的（create bitstream）产生*.bit文件，如果没有错误在messages中不会有错误提醒。接着左下角的PROGRAM AND DEBUG栏目中选择Open Hardware Manager进行连接开发板（连接时选择auto连接，如果找不到开发板，则说明其他哪里有问题）:

烧写的时候点击左下角PROGRAM AND DEBUG区域中的program device便可：

此时点击Flow Navigator中的RTL ANALYSIS的Schematic会产生我们编写代码对应的原理图：

注：更详细的烧写方法见LINK-6，bit烧写掉电会没有，bin烧写会掉电保持

4、SiFive基于risc-v指令集的芯片验证

4.1 准备工作

1) Xilinx Artix-7 35T Arty FPGA Evaluation Kit开发板
2) ARM-USB-TINY-H(这里我选用JLink当作Jtag用，省了点钱)

3) FPGA toolchain(下载WEB版开发工具：https://www.xilinx.com/support/download.html)

sudo chmod +x Xilinx_Vivado_SDK_Web_2018.2_0614_1954_Lin64.bin
sudo ./Xilinx_Vivado_SDK_Web_2018.2_0614_1954_Lin64.bin

下载合适的驱动：

cd /opt/Xilinx/Vivado/2018.2/data/xicom/cable_drivers/lin64/install_script/install_drivers/
sudo ./install_drivers

获取Diailent板级支持文件，拷贝到Vivado下：

git clone https://github.com/Digilent/vivado-boards.git
sudo cp -r vivado-boards/new/board_files/*  /opt/Xilinx/Vivado/2018.2/data/boards/board_files/

返回到HOME目录，启动环境变量(每次新打开一个termianl去启动VIVADO的时候，都需要执行)：

source /opt/Xilinx/Vivado/2018.2/settings64.sh
sudo /opt/Xilinx/Vivado/2018.2/bin/vivado

4) 通过vivado UI界面给板子配置（烧写pre-build FPGA二进制程序）

预编译好的二进制FPGA文件Freedom E310 Arty FPGA Dev Kit Bitstream可以从https://dev.sifive.com/dashboard/下载（需要注册）

打开vivado -> Hardware Manager -> 选择板子（ Micron part n25q128-3.3v，也可以根据板子来筛选）-> add configuration memory device

烧写完毕后，点击PROG按键，demo程序将会执行，LED1、LED2会点亮，用上位机打开串口会发现LOG输出：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB0

Welcome to minicom 2.7.1

OPTIONS: I18n
Compiled on Aug 13 2017, 15:25:34.
Port /dev/ttyUSB0, 23:03:08

Press CTRL-A Z for help on special keys

core freq at 65000000 Hz

                SIFIVE, INC.

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                     5

SiFive E-Series Software Development Kit 'demo_gpio' program.
Every 2 second, the Timer Interrupt will invert the LEDs.
(Arty Dev Kit Only): Press Buttons 0, 1, 2 to Set the LEDs.
Pin 19 (HiFive1) or A5 (Arty Dev Kit) is being bit-banged
for GPIO speed demonstration.

BT0~3对应板子上的几个按键：

********************************************************
********************************************************
**        Avnet/Digilent Arty Evaluation Board        **
**        LEDs and switches GPIO Demonstration        **
********************************************************
********************************************************
**
Choose Task:
BTN0: Print PWM value.
BTN1: 'Cylon' LED display.
BTN2: Scrolling LED display.
BTN3: Return to this menu.

注：只要用USB数据线连接上就行，查看串口会发现开发板占了两个USB，依次打开，第二个发现会有LOG输出
注：此外上位机串口工具请参考： https://blog.csdn.net/zoujiachi666/article/details/79441340

LINKS

[1].Artix-7 35T Arty FPGA 评估套件官网
[2].vivado license在ubuntu上安装
[3].board fils下载地址
[4].Installing Vivado and Digilent Board Files
[5].Getting Started with Vivado
[6].Arty Programming Guide
[7].Programming Digilent FPGA Boards Through Multisim

@beautifulzzzz
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