开源Arduino平台使用FPGA开源MCU编程

Scadao

开源Arduino平台使用FPGA开源MCU编程

使用兼容RISC-V的Arduino平台配置低价格的Arty FPGA板

这篇文章里我们来谈谈基于Xilinx Artix-7 FPGA的Digilent Arty板，缘于创客和爱好者理念而设计的，使用开源RISC-V微处理器架构配置，编译可来源RTL级别，通过Arduino IDE平台编程，也可通过GNU工具链来开发。

基于Linux的熟悉，极客对makefile软件编译方面的知识是清楚的。

Freedom E310

E300平台顶级框图

RISC-V是免费开放的指令集架构（ISA），在自由许可下发布，鼓励广泛采用，并允许任何人实现他们自己的兼容设备，比如仿真、FPGA或ASIC。它们可能是超低功耗IoT级设备，也可能用于手机、机顶盒、桌面或服务器级别，直到HPC（高性能计算机群）设备。

RISC-V仅是ISA中的一种，由于RISC-V基金会提供了处理器的实现参考模型，从而促进核心工具的生成，以及GNU编译器工具链的完成。

SiFive——RISC-V发明者创建的一家商业性公司，提供了IP核和SoC平台产品，提供咨询服务，他们的Freedom E300 SoC平台是基于E3 Coreplex，可能作为ASIC或FPGA硬核。

Arty板载芯片Freedom E310是基于上面图片架构。

硬件

Digilent公司的 Arty 410-319集成了USB-JTAG适配器，能够用来编程Xilinx Artix-35T FPGA，Quad-SPI flash典型用作FPGA上电配置，而ARM-USB-TINY-H适配器用于连接到RISC-V核提供调试/编程。

这些接口配置，你能完全用来编程，可以免费针对MCU进行修改设计，并可上载代码到它上面来运行。

USB-JTAG连线

《Freedom E300 Arty FPGA开发板入门指南》包含如何连线到适配器的详细细节，按照指令怎样编译SoC和GNU工具链，及对板编程等等。这篇文档是按规范编写的，有些步骤不确定，可参照着指南指令来操作。

PMOD接口及连线

线缆颜色选择参照指南所述，不需要跳线，只是确保要连接到位。

新确定的规则使得ARM-USB-TINY-H适配器能被添加访问：

编辑　/etc/udev/rules.d/99-openocd.rules　并添加：

# 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"

然后键入：

$ sudo udevadm control --reload-rules

如果你的用户账号还不在开发组中，你需要额外添加上，如注销重复再来。

FPGA　工具链

登录Xilinx网站，你可在Vivado HL工具中免费下载“WebPACK”，一旦安装完成，Digilent板必须要添加拷贝安装文件到具体位置。

举例来说，下载完Vivado 2017.1安装包后，过程如下：

安装包执行命令行键入步骤：

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

线驱动安装：

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

$ sudo ./install_drivers

获取Digilent板级支持文件并拷贝安装到相应位置：

$ 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/

返回主目录安装环境变量

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

每次登录或打开新终端时，都需要获取该脚本。此时，可以通过键入来启动GUI：

$ vivado

配置板参数

集成了预编译FPGA位流的flash编程文件，可在SiFive官网注册下载DEMO程序。

打开Vivado后，切换到硬件管理器，并连接到硬件板，接着右键FPGA，选择Add Configuration MemoryDevice，然后选择Micron制造商部件n25q128-3.3v。如果您选择对设备进行编程，可以选择下载的MCS文件。

一旦编程完成，如果按下PROG红按钮，FPGA将被配置，DEMO程序开始执行，LED1和LED2灯点亮。

如果你使用终端模拟器连接到 /dev/ttyUSB1，你应该可以看到如下信息呈现：

操作到这，你可以跳过下一步骤，直接进入SoC编程，通过Arduino IDE/GNU工具链，否则就要自己去创建编译工具。

芯片编译！

首先我们需要复制一下GitHub库方面的内容，也即包含SiFive E300和U500平台上的RTL级资源。

$ git clone --recursivehttps://github.com/sifive/freedom.git

因为要将所有相关依赖的Git子模块复制，比如Rocket Chip Generator和Chisel等等，需要花一点时间的。

一旦完成，通过键入下面内容就能编译成Verilog：

$ make -f Makefile.e300artydevkit verilog

为了配置内存文件，首先我们需要确保设定Vivado环境变量，然后键入：

$ make -f Makefile.e300artydevkit mcs

这将促成Xilinx FPGA的综合布线，过一会，你将获得新的.mcs文件来编程配置flash。

需要注意的是，默认情况下生成的flash镜像不包含与预编译版本一样的演示程序。然而编辑合适的makefile文件，程序能够嵌入镜像中，具体详情可参照论坛中讨论的。

Arduino平台的兼容

到目前为止，Freedom E310软件开发最容易的方法是利用当前的现实环境，将Arty 硬件板用于支持Arduino IDE平台来开发。首先我们要在Arduino IDE菜单：文件→首选项→Settings and add theBoard Manager URL中键入：

http://static.dev.sifive.com/bsp/arduino/package_sifive_index.json

然后我们就能在Arduino IDE菜单：工具→板→板级管理..对话框中搜索到SiFive Freedom Boards条目，安装完后我们就能找到相应的Freedom E300 Arty DevKit板，将LED闪烁程序编译上传到板上验证下。

如果上述编程过程发生失败，这可能是USB-JTAG没正确连线到PMOD端口，或设备管理器没配置好，即不能在即插即用设备组中搜索到。

Freedom-e-sdk

如果你选择文本编辑器，通过makefile驱动来开发，担心涉及到的诸多细节，其实也是很容易的，通过独立创建的freedom-e-sdk　GNU工具链就可以。

首先，我们需要构建依赖项：

$ sudo apt-get install autoconf automakelibmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev gawk bison flex texinfo libtoollibusb-1.0-0-dev make g++ pkg-config libexpat1-dev zlib1g-dev

然后，拷贝资源并编译：

$ git clone --recursivehttps://github.com/sifive/freedom-e-sdk.git

$ cd freedom-e-sdk

$ make tools

最后，编译上传DEMO程序：

$ make software PROGRAM=demo_gpioBOARD=freedom-e300-arty

$ make upload PROGRAM=demo_gpioBOARD=freedom-e300-arty

自由黑客

因此，你适当花费点就可立即定制你的微控制器（MCU）平台，这种SoC设计定制是完全免费自由的，如果你想挪入曾经习惯舒适的开发环境，如众所周知的Arduino平台，你也是能马上搭建的。

原文链接