在FPGA上搭建Cortex-m3软核
在FPGA上搭建Cortex-m3软核
前言
说是在fpga上搭建，其实还是比较偷懒了，在Vivado上进行搭建，比较方便。先来讲讲Cortex-m3这个东西，玩过单片机的人应该都用过Stm32f103c8t6这块板子，里面的核心架构就是Cortex-m3，c8t6这个器件是基于m3内核组成一块芯片。由于自己需要做一个加密解密的soc，所以需要先搭建一个m3的软核，后续在软核基础上把做好的模块挂到AXI总线上。花了一天做这个，今天就顺带着博客写了，就当作笔记了。
Cortex-m3 Design_Star计划
其实多亏了Risc-V的兴起，ARM公司在前几年把m3和m0的内核通过Design_Star的活动给开源了，开发者只需要在ARM网站上注册就可以下载源码或者是IP核来直接调用，目前来看比较完善的有Xilinx和Gowin这两家体验挺好。手头没有高云的器件，只有一块4k(但是带了硬核)，所以就拿手头的zynq来做这次项目。
前期准备
硬件资源
1、你需要一块Xilinx的板子，lut容量大概10k左右应该就差不多。
2、jlink调试器
软件资源
1、Cortex-m3的ip核
2、Keil的cortex-m3的bsp
Cortex-m3软核搭建
1、创立工程文件夹
为了我们方便开发，我们先建立一个名为“Cortex-m3_7010"的文件夹，文件夹下方有下图这些文件夹
其中”cm3_core“中存储的是我们下载得到的资源包中的”Arm_ipi_repository“这个文件夹。
2、建立Vivado工程
本篇博客面向的是有FPGA开发经验的同学，怎么建立Vivado工程就不具体讲了，建立完工程后在Tools-Settings中找到ip相关的设置栏
在”Repository“中添加Cortex-m3的ip核的路径。
3、在Block Design中搭建Cortex-m3
相信用过Vivado的同学们应该都知道Xilinx的Block Design的功能十分高效。使用方法建议百度。
创建Block Design后，我们添加Cortex-m3的IP核进我们的画布中。
添加IP核处搜索Arm即可出现两个IP核，第一个就是我们想要的m3的IP核，第二个则是DAP的调试的IP核，我们使用Jlink进行调试，所以我们只需要将第一个IP核添加进来即可。
4、Cortex-m3 IP核
我们双击m3的IP核就可以对其进行配置。
第一栏里的中断的数量是不需要我们去设置了，对应的IRQ的接口会根据你接入的位宽自动展开。其他的按照默认即可。
然后来调整Debug部分的设置。我使用的Jlink进行调试，同时也不需要Trace功能，所以选择”no trace“，并且将JTAG的那个勾选取消。
接下来设置ITCM和DTCM的大小
上图中Initialize的勾选取消，这个功能是将ITCM/DTCM按设置进行初始化，我们不需要，取消勾选。DTCM同ITCM设置相同
按照上方设置即可完成。选择OK即可。
5、时钟网络构建
Cortex-m3基本上最高就是跑到50M的频率，所以我们先确定时钟频率就是50M。通过”Clk_Wizard“（时钟生成向导“）这个IP核，生成对应的时钟频率，并且激活LOCKED端口即可。
输出的Clk_out1就是我们需要的时钟，将内核的时钟连到这里就行，同时我们后续外设的时钟也是使用这个。
6、复位信号网络搭建
复位是很重要的一环，如果复位部分没做好的话软核很可能会跑不通。笔者到现在还是有时候会因为复位网络导致系统出错误。但是在Vivado里，有一个很好用的IP核可以帮助我们解决困难。（属实被Vivado宠坏了）
就是这个，PS端复位信号的生成IP核，真挺好用的。配置的话按照默认的即可。将时钟信号接入对应的Sync_clk。外部复位信号源接入到”ext_reset_in"中。时钟的locked信号接入dcm_locked中。输出端口：
“mb_reset"是输出的复位，我们将这个作为arm的ip核的系统复位信号以及debug的系统复位信号。不过需要注意的是，他这里是高电平有效的信号，我们需要生成not门来之后再接入到arm ip核中去。
”Interconnect_restn"用来当作总线的复位源，”periphera“用来当作外设的复位源。这样基本的复位信号网络就搭建好了。
7、AXI总线
Vivado给了一个叫“AXI Interconnection"的ip核，通过这个ip核，我们可以将我们想要的总线与外设搭建起来。我们这次先将GPIO与Uart挂上AXI总线，设置好相关参数，将时钟和复位信号连接起来。
如上图，连线都是比较基本的。
8、SWD调试接口
我们这次使用的是Jlink的SWD模式，在Cortex-m3上相关的接口是：
SWTCLK、SWDI/TMS、SWDO、SWDOEN这几个引脚。其中SWTCLK是调试器给的外部时钟，直接引出引脚即可，SWDI与SWDO是输入输出，但是我们在调试器上属于是双向IO，因此我们需要例化IOBUF的原语来实现双向IO的功能。
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2022/04/16 21:28:24
// Design Name:
// Module Name: swdiobuf
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
module swdiobuf(
input swd_o,
output swd_i,
input swd_oe,
inout swd_io
);
IOBUF swd_iobuf_inst1
(
.O(swd_i),
.I(swd_o),
.IO(swd_io),
.T(~swd_oe) //
);
endmodule
然后把这个rtl导入到Block Design中按找接口进行连线即可。
9、Cortex-m3相关接口配置
有两个引脚NMI、CFGITCM需要我们手动配置一下，这两个引脚的作用可以去查看说明文档（记得是4-128页）。配置的方法可以通过常量IP核来实现。
上图是常量IP设置的信息。
10、地址分配
我们需要为外设进行分配存储空间。DTCM和ITCM不需要我们手动配置。右键Auto set即可。
11、创建引用文件、导出IP核
这一步用过的Vivado的应该都会。就不多讲了。
12、设置引脚、综合实现
设置引脚需要注意一点，SWDCLK这个引脚需要设置为FPGA上的时钟引脚，否则综合的时候会报错，显示该引脚输入的时钟无法作为时钟源来使用。（具体的报错信息忘记了）排除了以上问题之后综合实现翻译成bit流文件，通过JTAG或者其他方式下载到FPGA的板子上即可。
Keil端软件程序编写
1、Keil设置
Keil软件配置需要设置BSP的支持包，具体的可以去资源网站下载，安装完即可。然后需要根据我们搭建M3的软核来设置内存大小和频率。
按上图选中信号以及配置ram地址即可。
2、Jlink配置
插入Jlink连接到板子上如果出现了相关的型号，就可以说明FPGA软核搭建成功，如果有错误的话从头看看布线是否有错误。
3、典中典之点灯
每一个EE工程师的起始之路，就是点灯。今天我们在搭建好的Cortex-m3软核上通过挂载到AXI总线上的GPIO进行点灯操作。
先利用官方给的DS_CM3.h的库来做一个定时器。
SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);
这个函数可以配置一个滴答计时器，然后设置句柄来生成一个计数器。
volatile uint32_t SystemTicks =0;
void SysTick_Handler(void)
{
SystemTicks++;
}
void Delay(uint32_t ms)
{
uint32_t this_time=SystemTicks;
while((SystemTicks-this_time) < ms);
}
生成了这个计时器之后，就可以来点灯了。查看Vivado的内存地址分配可以看到GPIO的地址是 0x40000000；查看GPIO的库可以知道地址的一些分配之后就可以进行点灯了。
#define LED_BASEADDR 0x40000000
#define LED_DATA 0x0000
int main()
{
SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);
while(1)
{
*(uint32_t *)(LED_BASEADDR+LED_DATA)=0x01;
Delay(1000);
*(uint32_t *)(LED_BASEADDR+LED_DATA)=0x02;
Delay(1000 );
}
}
编译通过即可。
4、Jlink flash下载设置
正常来讲，这里是没有适配的，我们需要自己写一个下载的方法（需要手动改成ohchip下载，要用flash下载的话需要在搭建软核的时候重新设置code_ram）；
找到Arm下的Flash的文件夹。如下图：
途中的template文件夹是预留给我们用来进行自定义下载方法的模板，我们复制一份之后重命名为“DTCM_onchip"后打开工程文件进行修改。
如下图修改：
保存编译后回到Jlink的Flash页面把我们做好的添加进来，然后就可以下载了。
现象
如下图：
如有错误欢迎指出
