搭建一个通用MicroBlaze最小系统+一个外设

工程师邓生 2022-08-26 1590

处理器/DSP

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描述

MicroBlaze是AMD-Xilinx提供的一个可以在FPGA中运行的嵌入式软核IP，其本质是一个32位RISC处理器软核，可以在150MHz时钟下，提供125 D-MIPS性能，具有运行速度快、占用资源少、可配置性强等优点。

今天主要是搭建一个通用MicroBlaze最小系统+一个外设，最后固化程序到FPGA。

缩略词索引：

MB-MicroBlaze

环境平台

win10 vivado 2020

Vitis 2020

DDR

FPGA部分搭建

一个完整的MB系统，包括四个方面：CPU、时钟、 DDR 和外设，其中CPU不用说就是MB，DDR不是必须的，根据硬件选择，如果没有DDR时候选择内部RAM使用需要选择大一点，所以下面分成两种情况建立最小系统。

不带DDR的MB最小系统-通用系统

第1步

搭建Vivado系统，不过多赘述了！

第2步

点击 Create Block Design，创建一个 BD 文件，并命名为MB_block。

DDR

第3步

单击添加 IP 图标，然后输入关键字 MicroBlaze。

DDR

双击将MB添加到 BD 文件中：

DDR

第4步

添加时钟，在添加IP图标位置输入关键字Clocking Wizard。

DDR

双击将Clocking Wizard添加到BD文件中。

第5步-此步可不加

时钟设置，双击Clocking Wizard对时钟进行配置。

DDR

输入时钟根据硬件进行选择，我的硬件是一个单端50MHz时钟，输出时钟参数如下：

DDR

clk_out1作为MB的运行时钟，这里设置为100MHz，而clk_out2的200MHz是作为DDR控制器的运行时钟。

勾选locked作为后续电路的复位信号。

其他页面默认即可，点击【OK】完成设置。

DDR

第6步

MB设置，在 BD 文件中，双击 MB 图标，对其进行配置，第一页配置参数如下图所示：

DDR

注意图中圆圈是需要勾选的，允许外部存储 BRAM 作为程序运行缓冲区，方框部分是软核的频率、面积和性能三方面的综合结果（三方不可同时兼得）。

点击【Next】，进行下一界面进行设置：

DDR DDR

界面默认，点击【Next】：

DDR

按照上图设置，点击【Next】：

DDR

界面默认，点击【Next】：

DDR

按照上图设置，允许 AXI 数据流。修改完成之后点击【OK】即可。

上面主要修改三个部分：第一页允许外部存储 BRAM 作为程序运行缓冲区；第三页设置Cache基地址和长度；第五页是允许AXI数据流，用来访问外部DDR。

第7步

让BD自动完成设置，点击Run Block Automation完成剩下的设置。

DDR

弹出的界面默认即可，时钟使我们上面第4步Clocking Wizard生成的，Local Memory 选择 32KB，因为没有外部存储器。

DDR

第8步

引出相关引脚。

组合键【Ctrl+T】引出引脚。

第9步

验证目前设计的正确性：

DDR

目前这一步已经完成了最小系统设计。

第10步

修改引脚名称。

DDR DDR DDR DDR

第11步

导出BD，按照下图位置：

DDR

设置路径，设置BD名称：

DDR

路径下就生成了一个tcl文件，同理也可以使用下面命令实现相同功能：

write_bd_tcl [你的路径]/xxx_bd.tcl

第16步

上面就完成了整个最小系统搭建，接下来搭建带带DDR的MB最小系统，然后我们以这个最小系统为例说明其为什么具有通用性。

带DDR的MB最小系统

第1步

搭建Vivado系统，不过多赘述了！

第2步

点击 Create Block Design，创建一个 BD 文件，并命名为MB_block。

DDR

第3步

单击添加 IP 图标，然后输入关键字 MicroBlaze。

DDR

双击将MB添加到 BD 文件中：

DDR

第4步

添加时钟，在添加IP图标位置输入关键字Clocking Wizard。

DDR

双击将Clocking Wizard添加到BD文件中。

第5步

时钟设置，双击Clocking Wizard对时钟进行配置。

DDR

输入时钟根据硬件进行选择，我的硬件是一个单端50MHz时钟，输出时钟参数如下：

DDR

clk_out1作为MB的运行时钟，这里设置为100MHz，而clk_out2的200MHz是作为DDR控制器的运行时钟。

勾选locked作为后续电路的复位信号。

其他页面默认即可，点击【OK】完成设置。

DDR

第6步

MB设置，在 BD 文件中，双击 MB 图标，对其进行配置，第一页配置参数如下图所示：

DDR

注意图中圆圈是需要勾选的，允许外部存储 BRAM 作为程序运行缓冲区，方框部分是软核的频率、面积和性能三方面的综合结果（三方不可同时兼得）。

点击【Next】，进行下一界面进行设置：

DDR DDR

界面默认，点击【Next】：

DDR

按照上图设置，点击【Next】：

DDR

界面默认，点击【Next】：

DDR

按照上图设置，允许 AXI 数据流。修改完成之后点击【OK】即可。

上面主要修改三个部分：第一页允许外部存储 BRAM 作为程序运行缓冲区；第三页设置Cache基地址和长度；第五页是允许AXI数据流，用来访问外部DDR。

第7步

让BD自动完成设置，点击Run Block Automation完成剩下的设置。

DDR

弹出的界面默认即可，时钟使我们上面第4步Clocking Wizard生成的。

DDR

第8步

引出相关引脚。

DDR 上图界面选择clk_in1，组合键【Ctrl+T】引出引脚：

DDR

第9步

验证目前设计的正确性：

DDR

目前这一步已经完成了最小系统设计，下面开始DDR设计。

第10步

添加DDR控制器：

添加IP界面，输入关键字memory interface generator

DDR

双击memory interface generator后再BD中添加MIG：

DDR

第11步

设置MIG IP。

双击 mig_7series_0，进行如下配置：

DDR DDR DDR DDR DDR DDR DDR DDR

注：如果system clock的频率在199-201MHz之间，这里会出现一个use system clock 的选项，意思就是用系统时钟作为参考时钟

DDR DDR DDR DDR DDR DDR

后面全部默认点击【NEXT】即可。

将MIG的线按照下图进行连接：

DDR

第12步

添加外设，我们主要添加串口，负责调试。

DDR

双击 UART，将波特率改为 115200：

DDR

第13步

再点击 Run connection Automation，再弹出来的窗口中把所有选项勾选上，再点击【OK】即可。

DDR

验证设计：

DDR

第14步

修改引脚名称，因为这部分将作为一个最小系统供后续使用。

DDR DDR

第15步

导出BD，按照下图位置：

DDR

设置路径，设置BD名称：

DDR

路径下就生成了一个tcl文件，同理也可以使用下面命令实现相同功能：

write_bd_tcl [你的路径]/xxx_bd.tcl

测试及固化程序

第1步

建立一个新的Vivado工程。

第2步

导入上一节生成的最小系统：

DDR

选择tcl文件，确定即可

DDR

这样就生成了一个最小系统：

DDR

第3步

添加Clocking Wiard，按照下图进行设置

DDR DDR

第4步

添加一个AXI-GPIO，按照下图设置：

DDR

后面控制三个LED等。

第5步

点击 Run connection Automation，再弹出来的窗口中把所有选项勾选上，再点击【OK】即可。

DDR

第6步

导出硬件

将 bd 文件导出为 tcl 脚本之后，继续对工程进行完善。

选中 xxx.bd,右单击然后选择 Generate Output Products。

DDR

第7步

在弹出来的窗口中，如下图所示，然后单击【OK】。

DDR

第8步

选中 XXX.bd，右单击然后选择 Create HDL Wrapper，在弹出来的窗口中直接点击【OK】。

DDR DDR

第9步

添加一个名为 mb_test.xdc 的约束文件，并添加约束(物理约束需要根据自己硬件选择)。

第12步

单击下列图标产生 Bit 文件。

DDR

第13步

生成 Bit 文件之后，单击 File-Export-Export Platform...

DDR

第14步

TOOLs-->Launch Vitis IDE

DDR

选择工作文件夹。

DDR

创建Platform

DDR

选择上一步生成的Platform（XSA文件）

DDR

右击，build project

DDR

无问题后继续后面步骤。

第15步

创建App

DDR

【NEXT】

DDR

【NEXT】

DDR

输入App名称：

DDR

【NEXT】

DDR

选择Hello World模板。

DDR

【FINISH】

DDR

第16步

helloworld.c源码我们先不修改。

右击 HelloWorld-->Debug As-->Debug Configurations

设置好参数，使用Vitis自带的串口工具，运行后即可看到打印信息。

DDR

接下来就是添加GPIO驱动，和上面操作一样，这里有个小技巧，在建立完App后，点击下图位置：

DDR

导入官方提供的历程就可以了。

同样HelloWorld-->Debug As-->Debug Configurations后进行调试即可。

下面说明固化过程。

第17步

固化第一步，生成bit文件，点击XIlinx-->Program Device

DDR

记住箭头部分生成的bit文件，同时选择方框内编译出的elf文件。

DDR

固化第二步，下载固化FLASH，点击XIlinx-->Program Flash

DDR

箭头选择板卡上FLASH的FLASH，方框选择上一步生成的bit文件（默认dowload.bit）。

DDR

点击【Program】，完成后重新上电即可。

总结

今天简单演示了一个MB小例子。

审核编辑：刘清

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