经过前面千辛万苦、爬山涉水、纠结了好久才弄好的环境,现在我们终于可以把FPGA当成个单片机使了,稍微比单片机猛一点,但是绝对比单片机贵一个数量级,FPGA现在能完成由CPU做的事,我们就把它当成一个大价钱买回来的单片机,不过相比于S3C24XX的片子来说,那么贵的一个FPGA板卡跑40M的一个CPU绝对的奢侈,不过仅限于理解和学习嵌入式的过程,管他的。
但是如果是这样呢,把or1200资源优化好,例化两个或者多个CPU,是不是可以做成SMP架构?又或者说现有的产品上有FPGA芯片,但是里面的资源还足以容得下一个or1200,是不是可以做个协处理器在里面?我想应该可以做的事情还很多的······吧。
按照惯例,硬件代码第一个无非是点亮LED灯;软件代码无非是写个hello world,有同感木有。
但是想想,我们现在的SOC只有什么?CPU、RAM、Debug、UART、BUS,我们没有把GPIO外设加进去,点个灯貌似行不通了,但是能操作的毕竟外设蛮多的,但是又想看到有现象输出的,那我们只好选择去写个UART的代码咯。
我们在后面完善or1200_basic_soc时把其他外设添加进去后,上了linux系统后,在编写GPIO字符驱动时再去把灯点亮吧,现在我们就当FPGA是个单片机去编写所谓的“裸机”程序。
我们现在手头上有两本书对吧,《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》、《CPU源代码分析与芯片设计及Linux移植》,那我们就先看看接下来要写的UART16550外设的说明文档先咯,uart16550_latest.tar.gz源码包里的doc文件夹有该ipcore的说明文档,其实这就是相当于看芯片手册一样了,是不是很熟悉,那就不继续吐槽了,或者《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》里面第7章也有UART16550的中文翻译版本,感觉这本书就是opencores上面大堆文档的翻译大杂烩,算了,自己写不出的书还是不吐槽人家的了。
大概浏览一下UART16550的结构后我们就来咯,敲代码。
在敲代码之前先搞清楚一些流程,当内嵌在FPGA的or1200上电复位时,它在做些什么,在硬件环境搭建时,我们把CPU的复位地址设置为0x100,这个地址可以在or1200_defines.v中任意指定的,什么是0x100呢,我们在CPU体系手册《openrisc-arch-1.0-rev0.pdf》中16章操作系统接口有所描述,0x100是复位后取指令的第一个地址,虽然是这样说,但是复位地址可以是任意指定的,以后我们固化代码在Flash时,会将这个复位地址设置为Flash的起始地址,目前我们先指定在0x100,所以,CPU复位时就会从0x100取出第一条执行的指令,OK。
对于其他向量地址来说,是CPU设计时规定好的异常向量地址,好比0x100是复位异常向量,我们在写C51时熟悉的对比一下看还有什么?0x500是否熟悉?只是时钟中断异常向量。还有什么咧?0x800,外中断异常向量,所以,当我们在CPU将计数器中断enable后,当时钟计满中断时,就会跳转到0x500执行指令。对于外中断而言,前面我们在修改or1200_defines.v把PIC的中断个数设置为20个,所以,当这20个外中断enable后,中断源触发后,CPU就跳转到0x800地址来执行指令啦,至于其他的异常向量都是类似的,可能以前我们接触得比较少,但在对于上了操作系统后,这每个异常向量都会有对应的处理过程。现在对于or1200_basic_soc来说,只使用了复位、时钟、中断异常向量。
所以我们敲代码的第一步就是编写这些异常向量的处理程序,即异常向量表,因为刚上电时处理器的C环境还没有建立好,所以这些代码都是要用汇编去写的,我们现在至少要用到reset复位异常向量,硬着头皮码吧。
我理解的reset复位异常向量是通常说的启动代码,在用Keil MDK创建S3C2440的工程时也有对应的启动代码文件s3c2440.S,看起来蛮多的,1k多行,但是往下看,800多行的宏定义,那启动代码就200多行了。再来吐槽下or1200在linux系统下的关于启动代码的文件entry.S、head.S,这两个文件加起来2k5多行,那我们手动去敲那么多代码么,开玩笑吧。
好在我们现在用到的外设不多,就一个UART,而且我们现在还不需要用到时钟计数,还没需要到中断,所以复位向量用到的代码大概只有50行,50的汇编对于我这种级别 来说简直小菜一碟,好,码字。
至于这个简单的UART代码我都打包好在附件中了,那我们简单分析一下这50多行reset向量需要的代码。
把工程都扔进sourceinsight,方便查看嘛,打开reset.S,对于前面的宏定义先跳过,用到的时候再说吧。
先看0x100的异常向量,3行代码,是不是很有成就感。
LOAD_SYMBOL_2_GPR看名字就知道意思,作用是将标号的地址存入CPU的寄存器。
18行l.movhi是or1200处理器的逻辑指令,作用是把立即数零拓展左移16bit
l.movhi rD,K
rD[31:0] < -extz(Immediate) < < 16
所以18行将symbol的高16位存入gpr中。
l.or是or1200处理器的逻辑指令按位或,作用不用讲了吧,
l.or rD,rA,rB
rD[31:0] < -rA[31:0] OR rB[31:0]
所以19行将symbol的低16位存入gpr中。
继续reset向量,l.jr r3,即跳转到r3寄存器的地址上,所以reset向量前3行就是跳转到_reset标号地址上。
貌似55行还有个l.nop指令,只是or1200的空操作指令。跳转指令之后紧接着的指令称为延时槽,在or1200体系中,在跳转指令之后的紧接着的一条指令是规定、必须、肯定会执行的,所以在现在or1200的gcc编译器中,在跳转指令之后都会自动补上一个nop指令,貌似在新版本的编译器会在跳转指令后执行别的有效指令代替nop操作,提高效率。
好,continue······
Sourceinsight中一跳,转到_reset标号上
l.movhi,l.ori很熟悉啊,目的将r0寄存器清零。
l.addi作用是将r0和SPR_SR_SM相加后存入r3中,至于SPR_SR_SM又是什么?跟踪下就可以发现在spr-defs.h有其定义。
这是supervisor模式,这个linux的内核态和用户态概念很像,or1200存在两种模式,supervisor和user,区别是操作CPU内部寄存器组时权限不同。
继续,l.mtspr就是操作or1200内特殊寄存器组的专用指令,专用的,将r0和r3的寄存器的值相加后送入SPR_SR寄存器内
在《openrisc-arch-1.0-rev0.pdf》中可以看到,SPR_SR的first bit就是SM位
为1时就是Supervisor Mode
继续往下看,有个CLEAR_GPR的宏,目的是将gpr设置成r0的值
在or1200中,r0被设置成常数0,做与这个宏的作用就是清零
好,继续
SPR_TTMR是关于or1200内Timer的寄存器,将r0的值赋入SPR_TTMR中,至于SPR_TTMR的解释如下表。
目的就是把执行计数单元(简称定时器吧)的中断和使能都禁用了。
好,继续······貌似完了,200行吧_stack的值赋给r1,_stack是CPU堆栈的值,_stack这个值在lds文件内定义,这个文件稍后再解释。
第203,204行是不是很熟悉,跳转到main函数执行,堆栈建立好之后下面main函数就可以用C来码了。
Reset向量就需要这些代码了,至于reset.S剩下的代码是关于中断处理的,比如在
在定时器中断和外中断会先执行EXCEPTION_HANDLER宏,目的是执行中断处理之前的现场保护,跳转至中断服务函数,执行完中断服务函数之后的现场恢复,中断的概念不用多解释了,应该是很熟悉的了。
关于or1200中断的流程可以参考《CPU源代码分析与芯片设计及Linux移植》,里面讲得蛮详细的,虽然大部分也是翻译手册的,至于附件的代码关于reset.S剩余部分不是特别难,就不解释了,不解释咯······
突然发现,reset的异常向量我们就敲完了,在reset向量里会跳转至main函数,那就开始了,main函数熟悉了吧,
附件中的uart.c和uart.h关于UART16550的串口驱动和头文件,程序不难,对比着uart16550_latest.tar.gz的说明文档、《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》和源码的注释5分钟就可以看懂了,不详细说了,因为大家都有C语言功底嘛。
至于附件driver和include的其他文件可以先不管,因为现在还用不上,有兴趣可以自行翻阅下,是关于中断二级向量表的实现和timer的驱动,大部分都是参考u-boot下openrisc架构修修改改过来的,所以最好还是稍微浏览下,然后在下次移植u-boot时能快速上手。
Main函数更不用多说了,手痒自己随意打的,随便修改吧,至于里面的函数用sourceinsight追一下就可以了,都是比较简单的东西了。
UART的代码到这里我们就敲完了,最后就是把程序下到我们的SDRAM中运行了,好,在下到SDRAM之前呢,还需要编写一个连接脚本文件,告诉编译器编译出来的可执行程序各个段的存储位置,入口地址,在学校学汇编和计算机原理的时候都应该讲过这些的了,就是编译源码后得到的可执行bin文件的在RAM的存储位置,例如在link.lds文件中
vectors段,即我们之前编写的异常向量表的存放位置,从0x0开始到0x2000,除or1200结构本身定义的异常向量表之外,还保留空的异常向量允许自定义操作。
ram段就是开始存放我们uart的程序代码啦,继续看······
这里定义了一个_min_stack的变量,大小为8K,记得我们在写reset向量时设置CPU堆栈的值吗?
在这里_stack的值在这里取出,这里我说的不是很明白,关于lds连接文件附件中的ARM79出品-u-boot移植手册.pdf的附录一有详细说明,参考参考很容易就明白啦,或者可以google一下,再或者看看别人的技术博客就行了,这里不再详细解释了,因为码字是在是很累人的一件事。
一切OK准备就绪,但是在linux环境下编译我们还要写一个makefile,哇天啊,好吧,认栽吧,写吧。
······
现在可以打开virtualbox,先浏览一下放在桌面的那些文件,比如
可大概看看这个环境可以做些什么东西。
然后打开home folder,点啊点,点啊点
在orpmon文件夹中包含一个opencores社区针对or1200做的bootloader,而且,我在写makefile的时候都是参考这个bootloader的makefile写的,至于怎么去写一个makefile,参考《跟我一起写 Makefile.pdf》和《GNU+makefile中文手册.pdf》这两个手册咯。
废话不多说了,继续······
在我们的源码目录下是不是还有一个这样的文件?
在virtualbox的镜像中,包含了一个or1ksim的程序,这个程序是对or1200体系架构的软件模拟,就好像arm架构类似的也有一个在软件上模拟芯片行为的程序,具体叫什么我不记得了,呵呵。
也就是说,我们写的程序可以在这个or1ksim进行模拟,而or1ksim.cfg就是对or1ksim的配置文件,关于配置文件这里先不讲了,因为码字实在是很辛苦啊。感兴趣可以自行打开了修修改改的,对于上面我们写的程序来说,这个配置文件or1ksim.cfg我都改好了,直接用就行了。
老规矩,把windows下的共享文件夹mount上去
然后,切换到我们的源码目录下,cd啊cd
再然后,make吧
信息太多了,这里我贴不完了,编译生成boot.or32就是可执行文件了
再然后,验证下我们写的代码是不是可以执行的,在or1ksim上验证吧,输入sim -for1ksim.cfg boot.or32,然后回车
然后可以看到一堆信息出来了。
其中包含我们在lds文件中定义的段信息
然后在弹出的xterm窗口,这个窗口就是模拟UART16550的串口输出的,并且在命令行中都可以看到我们的main函数执行的结果了。
但是这样验证还不是我们想要的结果咧,我们是要下载到我们之前做得SOC上才算成功的咧,好,现在至少已经说明我们的程序编码至少是可以运行的了,接下来就是下载到板子上来验证。
好,QuartusII软件打开,FPGA板子连接好,下载器连接好,把之前综合出来的or1200_basic_soc.sof文件download到板子上。
然后在virtualbox的右下角中把下载器连接到虚拟机上去。
接下来我们休息一下吧,上上网,去找找手头上FPGA芯片的BSD描述文件吧,顺便刷刷微博,看看新浪NBA什么的。好,我现在板子上的芯片是altera的EP2C20F484,要找的芯片的BSD文件就是EP2C20F484.BSD,google之,大喜,收之。
好,我们来继续,把BSD文件扔到home目录下,怎么扔,自己想办法吧,BSD文件一定要对应自己板子芯片啊
继续,打开一个terminal,之前在软件搭建已经把adv_debug_sys_latest.tar.gz包make install了,所以在terminal输入adv_jtag_bridge-h看到adv_jtag_bridge的帮助信息,
上面列出的就是现在adv_jtag_bridge支持的下载器,我使用的是usbblaster下载器,但是貌似经常提示找不到下载器,所以前面在搭建软件环境时把libusb-1.0.9.rar、libusb-compat-0.1.4.rar都make install上,可以用ft245驱动代替usbblaster,下载器还是那个下载器,至于用xilinx或者actel的朋友自行去看看adv_debug_sys_latest.tar.gz的帮助文档选择对应的下载器选项。
好,继续,将下载器连上虚拟机后,adv_debug_sys_latest.tar.gz安装好后,soc下载到FPGA板子后,BSD文件放到HOME目录下后,再继续在命令行输入sudoadv_jtag_bridge -b ~/ ft245,提示输入密码时,输入openrisc,adv_jtag_bridge就会连接上下载器
这说明顺利通过下载器连接上or1200的调试接口了,我们可以通过这个JTAG来下载程序了
再打开一个terminal,cd进源码的目录,在源码目录下输入or32-linux-gdb
然后输入file boot.or32,读取boot.or32文件信息
继续输入target remote:9999
这时说明已经通过gdb服务远程登录到开发板上面了。
继续输入load,将可执行程序文件boot.or32下载到开发板的SDRAM上
同样这里也出现我们在lds文件中描述的段信息
好,继续,之前我们讲过reset向量是从0x100地址执行的,所以要把CPU的NPC寄存器设置为0x100,这样CPU才会从0x100开始取出第一条指令执行。所以,输入set $pc=0x100
好,到这里设置完毕啦,在现在可以打开自己熟悉的串口工具了,minicom、c-kermit、putty、ScureCRT,我用在是ScureCRT,windows版本的,打开设置好波特率,在写源码board.h中关于串口的定义是
波特率为38400,也可以修改成自己想用的波特率,由于我的板子的速度问题,38400是比较适中的,因为在后面板子上了linux后,lrz和lsz在38400的波特率可以和虚拟机无错误传输。
ScureCRT中设置好波特率,打开,然后回到虚拟机的terminal中,输入c
然后准备切换到ScureCRT中,好紧张,有没有信息呢,来了。
哎呀,有了,妥妥的,好了,第一个程序就到此为止了。
接下去我们做些什么好呢,对了,还有关于or1200的定时器timer和中断的程序没写呢,这些留给朋友们去练习了,对于练习,可以到opencores社区上把
minsoc_latest.tar.gz
or1k_soc_on_altera_embedded_dev_kit_latest.tar
orpsoc-master.tar.gz
这三个工程下载下来,这三个工程都是关于or1200的SOC的参考设计,里面也有相应的参考程序,有时间我会把这三个工程都上传,至于“裸机程序”的练习也可以加深对or1200的理解。
同样,在虚拟机home目录下的soc-design中有orpsoc-v2的参考设计,里面包含一大堆的“裸机程序”源码,我在学习时也是通过这个工程的。
下次我们来完善我们的or1200_basic_soc,完善之后我们在此基础上移植u-boot,移植u-boot我们再在上面移植linux系统。