RISC-V - mikrokontroler open source w FPGA i programowanie w Arduino

RISC-V - mikrokontroler open source w FPGA i programowanie w Arduino
Pobierz PDF Download icon

W artykule przyjrzymy się, jak łatwo dostępna na rynku płyta Digilent Arty Board, bazująca na układzie FPGA Xilinx Artix-7, może zostać skonfigurowana do pracy jako open-sourceowy mikrokontroler RISC-V, który może być zbudowany ze źródeł RTL i który można następnie zaprogramować za pomocą Arduino IDE lub makefile wbudowanego w zestaw narzędzi GNU toolchain. Do tego celu wymagana jest podstawowa znajomość oprogramowania opartego na Linuksie, systemie git oraz makefile.

Układy FPGA dają twórcom urządzeń niespotykane dotąd możliwości. W niewielkiej obudowie jest zawarty ogromny potencjał, między innymi możliwość wykonania rdzenia procesora wraz z otoczeniem, niekoniecznie tym najbliższym, ale również z modułami peryferyjnymi.

Mikrokontroler Freedom E310

RISC-V to darmowa i otwarta architektura mikrokontrolerowa ISA, opublikowana na postawie otwartej licencji, która zachęca do powszechnego stosowania i umożliwia każdemu implementację architektury we własnym urządzeniu lub symulacji FPGA, lub ASIC. Mogą to być urządzenia klasy ultra-low power IoT, urządzenia mobilne, komputery przenośne czy stacjonarne i serwerowe oraz urządzenia przeznaczone do aplikacji HPC.

RISC-V nie jest procesorem jako takim – jest to model programowy procesora ISA. Mimo to fundacja RISC-V Foundation zapewnia implementację referencyjnego procesora o nazwie Rocket wraz z narzędziami, które ułatwiają generowanie rdzeni oraz zestaw narzędzi kompilatora GNU.

SiFive to organizacja komercyjna, która została założona przez twórców RISC-V, dostarcza produkty, które zawierają rdzenie IP i platformy SoC, opracowane i publikowane jako IP core’y. Ich podstawowa platforma sprzętowa SoC o nazwie Freedom E300 jest oparta o rdzeń E3 Coreplex, dostępny jako IP core do implementacji w układach ASIC, może być także stosowana w układach FPGA. Projekt układu Freedom E310, który umieścimy w pamięci konfiguracyjnej płytki Arty, opiera się na architekturze SoC przedstawionej na schemacie lokowym z rysunku 1.

Konfiguracja sprzętowa

W zestawie Digilent Arty zintegrowano programator USB-JTAG, który może być użyty do programowania bezpośrednio układu FPGA Xilinx Artix-35T oraz pamięci QuadSPI, która zwykle jest używana do konfigurowania FPGA po włączeniu zasilania. Interfejs JTAG ARM-USB-TINY-H USB jest wymagany w celu zapewnienia połączenia z rdzeniem RISC-V do debugowania/programowania tego układu. W ten sposób mamy do dyspozycji w pełni programowalną platformę sprzętową, na której można zarówno dowolnie modyfikować projekt samego mikrokontrolera, jak i załadować własny kod i uruchomić go na platformie.

Przewodnik użytkownika zestawu Freedom E300 Arty FPGA (http://bit.ly/2Ez0g4Z) zawiera szczegółowe informacje o tym, jak podłączyć adapter, wraz z instrukcjami, jak zbudować narzędzia SoC i GNU toolchain, oraz zaprogramować płytkę itp. Jest to oczywiście podstawowa i oficjalna dokumentacja, do której należy się odnieść jeśli nie jesteś czegoś pewien. Kroki opisane w tym poście oparte są na instrukcjach zawartych w przewodniku.

Interfejs JTAG ARM-USB-TINY-H USB doł?czamy do?mikrokontrolera zaimplementowanego w?FPGA za pomoc? z??cza Pmod zestawu Arty (ączamy do mikrokontrolera zaimplementowanego w FPGA za pomocą złącza Pmod zestawu Arty (fotografia 3). Zastosowane zostały kolory przewodów zasugerowane w przewodniku. Nie należy zakładać ani zdejmować żadnych zworek na płytce. Należy natomiast dodać nowe reguły udav, aby uzyskać dostęp do ARM-USB-TINY-H:

# These are for the Olimex Debugger for use with E310 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”

Następnie uruchomić:

$ sudo udevadm control --reload-rules

Jeśli twoje konto użytkownika nie znajduje się jeszcze w grupie plugdev, należy je do niego dodać, a następnie wylogować się i ponownie zalogować.

Toolchain FPGA

Dostępna jest bezpłatna wersja WebPack narzędzi Vivado HL (rysunek 4). Narzędzie do pobrania jest dostępne po zalogowaniu się na stronie Xilinx. Po zakończeniu instalacji należy dodać obsługę płyt Digilent, jest to kwestia uzyskania plików i skopiowania ich w odpowiednie miejsce. Przykładowo, po pobraniu instalatora Vivado 2017.1 procedura wyglądała następująco:

1. Nadaj instalatorowi prawo do wykonywania i uruchom jako root:

$ chmod +x Xilinx_Vivado_SDK_2017.1_0415_1_Lin64.bin
$ sudo ./Xilinx_Vivado_SDK_2017.1_0415_1_Lin64.bin

2. Zainstaluj sterowniki:

$ cd /opt/Xilinx/Vivado/2017.1/data/xicom/cable_drivers/lin64/install_script/install_drivers
$ sudo ./install_drivers

3. Pobierz pliki płytki Digilent i skopiuj je w miejsce docelowe:

$ git clone https://github.com/Digilent/vivado-boards.git
$ sudo cp -r vivado-boards/new/board_files/* /opt/Xilinx/Vivado/2017.1/data/boards/board_files/

4. Wróć do katalogu głównego i ustaw zmienne środowiskowe:

$ cd
$ source /opt/Xilinx/Vivado/2017.1/settings64.sh

Ten skrypt musi być wykonany za każdym razem, gdy się logujesz lub otwierany jest nowy terminal. W tym momencie GUI można uruchomić, wpisując:

$ vivado

Konfigurowanie sprzętu

Plik do zaprogramowania pamięci Flash, który łączy gotowy strumień FPGA (pre-built) i program demonstracyjny, można pobrać ze strony internetowej SiFive (wymagana rejestracja).

Po uruchomieniu Vivado otwórz okno Hardware manager i połącz się z docelową płytką (rysunek 5). Następnie kliknij na FPGA prawym przyciskiem myszy, wybierz opcję Add Configuration Memory Device, a następnie wybierz Micron n25q128-3.3v (rysunek 6). Jeśli zdecydujesz się na zaprogramowanie urządzenia, możesz wybrać pobrany plik .mcs. Po zakończeniu programowania, jeżeli zostanie naciśnięty czerwony przycisk oznaczony PROG, układ FPGA zostanie skonfigurowany i powinien uruchomić się program demonstracyjny, sygnalizujący swoje działanie za pomocą migania diod LED1 i LED2 (fotografia 7).

Jeśli używasz emulatora terminala do połączenia z /dev/ttyUSB1, powinieneś zobaczyć komunikat wyjściowy (rysunek 8). W tym momencie można pominąć następną sekcję i przejść bezpośrednio do programowania SoC za pośrednictwem Arduino IDE/GNU toolchain, a w późniejszym etapie przystąpić do samodzielnego budowania SoC.

Budowanie układu

Najpierw musimy rekursywnie sklonować repozytorium GitHub, które zawiera źródła Chisel RTL (http://bit.ly/2QKa4QM) dla platform SiFive E300 i U500 (rysunek 9):

$ git clone --recursive https://github.com/sifive/freedom.git

Może to zająć trochę czasu, ponieważ klonowane są wszystkie pod moduły git, takie jak Rocket Chip Generator and Chisel.

Gdy już mamy wszystko gotowe, źródła Chisel mogą być skompilowane do Verilog przez wykonanie polecenia:

$ make -f Makefile.e300artydevkit verilog

Aby utworzyć plik konfiguracji pamięci, należy najpierw upewnić się, że zmienne środowiskowe Vivado zostały ustawione przez pozyskanie odpowiedniego pliku powłoki, jak wspomniano wcześniej, a następnie wprowadzić:

$ make -f Makefile.e300artydevkit mcs

To doprowadzi do syntezy układu FPGA Xilinx wraz z place-and-route itp., i po chwili powinieneś mieć nowy plik .mcs, który może być użyty do zaprogramowania konfiguracji Flash.

Zauważ, że domyślnie wygenerowany obraz Flash nie zawiera programu demonstracyjnego, tak jak w wersji pre-built. Jednak program można wypalić w obrazie, edytując odpowiedni plik makefile.

Kompatybilność z Arduino

Zdecydowanie najprostszym sposobem na rozpoczęcie tworzenia oprogramowania dla Freedom E310 jest skorzystanie z faktu, że istnieje wsparcie dla Arduino IDE z przeznaczeniem dla płyty Arty (rysunek 10). Wszystko, co musimy zrobić, to najpierw przejść File ’ Preferences ’ Settings i dodać następujący URL do Board Managera: http://bit.ly/2Gv6ghB.

Następnie możemy przejść do Tools ’ Board ’ Board Manager, wyszukać SiFive Freedom Boards i zainstalować wsparcie dla nich. Teraz możemy wybrać płytkę Freedom E300 Arty DevKit, przed otwarciem przykładu migania, a następnie skompilować i wgrać go na zestaw. Jeśli w tym momencie programowanie się nie powiedzie, możliwe, że USB-JTAG nie został poprawnie podłączony do złącza Pmod, udev nie jest skonfigurowany albo nie jesteś w grupie plugdev.

freedom-e-sdk

Jeśli używasz własnego edytora tekstowego i użycie makefile jest trudne, nie obawiaj się, ponieważ równie łatwo można zbudować samodzielny GNU toolchain, freedom-e-sdk.

1. Najpierw musimy uzyskać zależności budowania:

$ sudo apt-get install autoconf automake libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev gawk bison flex texinfo libtool libusb-1.0-0-dev make g++ pkg-config libexpat1-dev zlib1g-dev

2. Następnie sklonuj źródła i zbuduj:

$ git clone --recursive https://github.com/sifive/freedom-e-sdk.git
$ cd freedom-e-sdk
$ make tools

3. Aby zbudować, a następnie załadować program demonstracyjny, wpisz:

$ make software PROGRAM=demo_gpio BOARD=freedom-e300-arty
$ make upload PROGRAM=demo_gpio BOARD=freedom-e300-arty

Podsumowanie

Jak widać, przy niewielkich nakładach i w krótkim czasie możesz być gotowy do pracy dzięki konfigurowalnej platformie mikrokontrolerów, w której możesz swobodnie uruchomić projekt SoC lub jeżeli jest to na razie zbyt skomplikowane, używać platformy z Arduino.

Andrew Back

Miłośnik Open Source (hardware i software!), skarbnik i dyrektor Free Silicon Foundation, organizator festiwalu technologicznego Wuthering Bytes i założyciel Open Source Hardware User Group.

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
styczeń 2019
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów