旧板子新玩法——DE2上运行Freedom E310

众所周知，我有一块旧板子DE2-35，很久很久的那种，大概有十多年历史了，不过好在保养得比较好，现在还完好如初，最近心血来潮，打算在上面运行Freedom E310。

Freedom E310是一个开源SoC，其处理器核心是RISC-V架构的开源处理器E3 Coreplex，由SiFive公司设计发布的。

E310的结构图如下所示，从图中可知，除了处理器E3 Coreplex，还有比较丰富的外设，包括：GPIO控制器、AON、QSPI控制器等。其中GPIO接口是可以复用的，可以有复用为两个UART、两个PWM、两个QSPI。

Freedom E310已经在Xilinx的Digilent Arty开发板上运行成功，并且官网提供了完整的工程文件，没有Digilent Arty的童鞋也不要灰心，下面就是Freedom E310在10年前的DE2上的移植测试过程，旧板子新玩法，没有Digilent Arty，照样可以玩转Freedom E310。开发主机是Ubuntu14.04。

一、Quartus工程建立

1、clone代码

在Github上clone下列项目的代码：Rocket-chip、Freedom、Freedom-e-sdk。因为Freedom-e-sdk没有clone下来，所以这里的测试程序是使用Rocket-chip中riscv64-unknown-elf-gcc编译的，网速快的童鞋可以直接使用Freedom-e-sdk中的gcc编译器。

2、编译Rocket-chip

具体步骤就不说了，在Readme中都有详细的描述。这次编译的目的是安装GCC编译器。

3、编译Freedom

进入Freedom路径，使用如下语句：

make -f Makefile.e300artydevkit verilog

会在build目录下得到一个sifive.freedom.everywhere.e300artydevkit.E300ArtyDevKitConfig.v

4、建立Quartus工程

新建一个Quartus工程，将上面得到的verilog文件，以及面几个文件添加到该工程中：

freedom\fpga\e300artydevkit\src\system.v
freedom\sifive-blocks\vsrc\SRLatch.v
freedom\rocket-chip\vsrc\AsyncResetReg.v
freedom\rocket-chip\vsrc\DebugTransportModuleJtag.v

5、使用Megawizard Plug-in Manager得到PLL

命名为mmcm，输入频率是27MHz，输出有两个，c0是10.125MHz，c1是27MHz，其中c1是作为处理器的主时钟，另外，还有一个locked信号输出，表示PLL是否稳定。具体步骤如下面图所示：

然后注释掉system.v中的如下代码：

mmcm ip_mmcm
(
    .clk_in1(CLK100MHZ),
    .clk_out1(clk_out1), // 8.388 MHz = 32.768 kHz * 256
    .clk_out2(hfclk), // 65 MHz
    .resetn(ck_rst),
    .locked(mmcm_locked)
  );

改为如下：

mmcm ip_mmcm
	(
	  .areset(ck_rst),
	  .inclk0(CLK100MHZ),     // 27 MHz
	  .c0(clk_out1),          // 10.125Mhz
	  .c1(hfclk),             // 27MHz
	  .locked(mmcm_locked)
	);

6、继续修改system.v

修改clkdivider的例化，改为如下：

 clkdivider slowclkgen
  (
.clk(clk_out1),   
    .reset(ck_rst),            
    .clk_out(slowclk)          
  );

7、继续修改system.v

注释掉reset_sys的例化部分，使用如下代码代替：

reg reset_periph_t;
    always @(posedge clk_out1)
    begin
      if( ck_rst  == 1'b1 || mmcm_locked == 1'b0 || SRST_n == 1'b0)  begin
          reset_periph_t <= 1'b1;
      end else begin
          reset_periph_t <= 1'b0;
      end 
    end
assign reset_periph = reset_periph_t;

8、继续修改system.v

使用下面的方法替换所有的IOBUF例化，因为IOBUF是Xilinx的原语。

IOBUF
  #(
    .DRIVE(12),
    .IBUF_LOW_PWR("TRUE"),
    .IOSTANDARD("DEFAULT"),
    .SLEW("SLOW")
  )
  IOBUF_gpio_1
  (
    .O(iobuf_gpio_1_o),
    .IO(gpio_1),
    .I(dut_io_pads_gpio_1_o_oval),
    .T(~dut_io_pads_gpio_1_o_oe)
  );

可以使用如下语句代替：

 assign gpio_1 = dut_io_pads_gpio_1_o_oe ? dut_io_pads_gpio_1_o_oval : 1'bz;
  assign iobuf_gpio_1_o = gpio_1;

9、端口分配

这里只是打算做一个简单的GPIO实验，所以没有没有连接全部的端口，主要如下：

CLK100MHZ——连接板载的27MHz时钟

ck_rst——连接波动开关SW1，作为复位按钮

jd_6——连接拨动开关SW0，要确保使其处于高电位

ck_io[8]——实际就是对应E310的GPIO0，连接绿色LED0

ck_io[9]——实际就是对应E310的GPIO1，连接绿色LED1

ck_io[10]——实际就是对应E310的GPIO2，连接绿色LED2

如下：

set_location_assignment PIN_D13 -to CLK100MHZ
set_location_assignment PIN_AE22 -to ck_io[8]
set_location_assignment PIN_AF22 -to ck_io[9]
set_location_assignment PIN_W19 -to ck_io[10]
set_location_assignment PIN_N26 -to ck_rst
set_location_assignment PIN_N25 -to jd_6

将system.v设置为顶层文件，就可以编译该工程了。但此时下载到DE2上还是观察不到效果的，因为我们还没有编写测试程序。

二、测试程序的编写

使用汇编编写，打开rocket-chip\bootrom文件夹下的bootrom.S文件，改为如下内容：

.text
.global _start
_start:
  // This boot ROM doesn't know about any boot devices, so it just spins,
  // waiting for the debugger to load a program and change the PC.
  j 1f // reset vector
  nop
  nop
  .word 0 // reserved
  .word 0 // reserved
  .word 0 // pointer to config string
  .word 0 // default trap vector
  .word 0
  .word 0
  .word 0
1:
  li x1, 0x7
  li x2,0x10012008   // make GPIO0  GPIO1  GPIO2 out port
  sw x1,0(x2)


  li x3, 0
  li x5,1 

2:

// light Green LED2,  then wait few seconds
  li x1, 0x04
  li x2,0x1001200C
  sw x1,0(x2)


  li x4,0x1dfd240
3:
  sub x4,x4,x5
  bne x4,x3,3b

// light Green LED1,  then wait few seconds
  li x1, 0x02
  li x2,0x1001200C
  sw x1,0(x2)


  li x4,0x1dfd240
4:
  sub x4,x4,x5
  bne x4,x3,4b

// light Green LED0,  then wait few seconds
  li x1, 0x01
  li x2,0x1001200C
  sw x1,0(x2)

  li x4,0x1dfd240
5:
  sub x4,x4,x5
  bne x4,x3,5b

  j 2b
  nop

整个程序很简单，启动后，首先初始化GPIO，设置GPIO0、GPIO1、GPIO2为输出口，然后依次通过这三个端口输出高电平，每输出一个高电平，就等待一段时间，然后再在下一个端口输出高电平，其中用到了E310的地址空间映射，GPIO对应的地址映射如下：

内部的配置寄存器地址偏移如下：

所以0x10012008就是配置输出使能的地址，0x1001200C就是设置输出值的地址，这样一说就容易理解上面的程序了。

还是在rocket-chip\bootrom目录下，使用已有的链接脚本，如下：

SECTIONS
{
    . = 0x1000;
    .text : { *(.text) }
}

因为E310复位的地址是0x1000，所以上面的测试程序就从0x1000开始执行。然后使用下面的两条语句编译：

riscv64-unknown-elf-gcc -Tlinker.ld bootrom.S -nostdlib -static -o bootrom.elf -m32
riscv64-unknown-elf-objcopy -O binary --change-addresses=-0x1000 --only-section .text bootrom.elf bootrom.img

将上面的bootrom.img，复制到freedom项目路径下的bootrom，重命名为e300artydevkit.img

在freedom路径下，使用如下语句得到新的verilog代码：

make -f Makefile.e300artydevkit clean
make -f Makefile.e300artydevkit verilog

新的文件依然位于将freedom/builds/e300artydevkit/路径下，还是sifive.freedom.everywhere.e300artydevkit.E300ArtyDevKitConfig.v，将该文件复制到Quartus工程中，覆盖之前的文件，然后重新编译Quartus工程，将得到的sof文件下载DE2上，此处就可以观察到实验效果了，三个绿色LED灯依次点亮。