Board从入门到精通系列（六）

由于更新了开发工具，所以本篇博客有必要重复前面的内容，今天首先演示如何利用Vivado开发纯逻辑工程，即只在PL上进行开发。恰好最近在看雷思磊的《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》，于是将一部分实验搬到了ZED-Board上进行验证。对OpenRISC感兴趣的童鞋可以关注Rill的专栏 进一步获得学习资源。

先简要介绍下OpenRISC软件开发，参考了雷思磊书上建立开发环境的步骤。
1.下载GNU开发环境，可以直接下载配置好的VirtualBox镜像，链接为 ftp://openrisc.opencores.org/virtualbox-image/ ，FTP用户名和密码都是openrisc。下载2011-12-15版本。
2.下载安装VirtualBox。新建虚拟机，配置为Linux, Ubuntu，512MB内存（需求并不高），使用现有虚拟硬盘（OpenRISC_Ubuntu_2011-12-15.vdi）
安装完成即可启动。GNU工具链为or32-elf-...（可以是ar, as, g++, gcc等等）。root密码：openrisc
VirtualBox中设置Windows和虚拟机的共享文件夹。关闭Ubuntu系统，在VirtualBox主界面中选择“设置”，在“数据空间”中增加Windows共享文件夹E:\Share，在Ubuntu中名称为Share。设置完成后，启动Ubuntu系统，终端输入命令sudo mount -t vboxsf Share /mnt/sharefolder

虚拟机运行后如图（如果图太大看不完全，可以右键另存为图片后在本地查看）。

 

3.编写简单测试汇编代码example.s
# Comments like this
# Begin
.section .text, "ax"

.org 0x100

.global _start
_start:
l.andi r0,r0,0
l.extwz r1,r0
l.extwz r2,r0
l.addi r1,r1,0x0A
l.add r2,r2,r1
l.nop 0x0001
# End

4.
编译：or32-elf-as example.s -o example.o
链接：or32-elf-ld -T ram.ld example.o -o example.or32
链接输入脚本ram.ld内容如下：
MEMORY
{
ram : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 0x00005000
}
SECTIONS
{
.text :
{
*(.text)
} > ram

.data :
{
*(.data)
} > ram

.bss :
{
*(.bss)
} > ram
}

ENTRY (_start)

OR1KSim模拟器运行：sim -t example.or32 -m1M > example.trace

生成的跟踪文件example.trace内容如下：
Seeding random generator with value 0x88a2d16e
Or1ksim 2011-08-15
Building automata... done, num uncovered: 0/213.
Parsing operands data... done.
Resetting PIC.
loadcode: filename example.or32 startaddr=00000000 virtphy_transl=00000000
Not COFF file format
ELF type: 0x0002
ELF machine: 0x005c
ELF version: 0x00000001
ELF sec = 5
Section: .text, vaddr: 0x00000000, paddr: 0x0 offset: 0x00002000, size: 0x00000118
S 00000100: a4000000 l.andi r0,r0,0 r0 = 00000000 flag: 0
S 00000104: e020004d l.extwz r1,r0 r1 = 00000000 flag: 0
S 00000108: e040004d l.extwz r2,r0 r2 = 00000000 flag: 0
S 0000010c: 9c21000a l.addi r1,r1,0xa r1 = 0000000a flag: 0
S 00000110: e0420800 l.add r2,r2,r1 r2 = 0000000a flag: 0
exit(0)
@reset : cycles 0, insn #0
@exit : cycles 5, insn #6
diff : cycles 5, insn #6

从上述结果可以看到软件仿真的结果，注意r1,r2的值变化情况，后面硬件仿真时会看到。

导出二进制文件：or32-elf-objcopy -O binary example.or32 mem.bin

上述步骤、命令行参数具体含义请参考原书，此处略过不提。

为了将mem.bin文件转换为Vivado Simulator可识别的格式，博主用matlab编写了格式转换程序bin2mem.m，代码如下：
clear;
clc;
close all;

fid = fopen('mem.bin','rb');
mem = fread(fid,'uint8');
fclose(fid);
mem = reshape(mem,4,[]);
mem = [65536*256,65536,256,1]*mem;
fid = fopen('mem.data','w');
fprintf(fid,'%08x\r\n',mem);
fclose(fid);

得到mem.data后宣告OpenRISC软件开发的结束。下面利用Vivado进行硬件平台开发。

首先获得Vivado 2013.2软件，可以从xilinx官网下载。最新版的博主没有用过，不能保证所有操作步骤都一致，需要读者自行协调。

安装完成后，运行Vivado，双击下面图标，左侧为IDE，右侧为HLS，本实验只用IDE。

启动后欢迎界面如下

 

选择Create New Project，如下设置项目名称

 

一直按下一步，到如下画面后为止

 

选择器件，先点Specify中的Boards，再点ZedBoard Zynq Evaluation and Development Kit。下一步，直到完成，进入IDE。

 

在IDE的Sources窗口中右键选择Add Sources...，添加OpenRisc verilog源码。我们将openrisc_rtl_verilog_or1200_rel3版本源码解压到本地磁盘，还需要将or1200_defines.v, or1200__qmem_top.v, or1200_spram_2048x32.v三个文件进行修改，可以下载后直接覆盖原文件，原书中有详细修改说明。

 

选择第二项，下一步

 

点Add Directories...选择源码存放目录，确定，返回IDE。这时还需要添加一个仿真激励文件，我们创建一个文件or1200_tb.v，步骤如下：

仍然在Sources窗口右键，Add Sources...

 

选择第三项，Next

 

选择Create File...，输入or1200_tb，确定，回到IDE。双击打开，修改其内容如下：
`timescale 1ns / 100ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2014/01/26 12:57:10
// Design Name:
// Module Name: or1200_tb
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module or1200_tb();
reg CLOCK_50;
reg rst;
initial begin
CLOCK_50 = 1'b0;
forever #10 CLOCK_50 = ~ CLOCK_50;
end

initial begin
rst = 1'b1;
#200 rst = 1'b0;
#1000 $stop;
end

or1200_top or1200_top_inst
(
.clk_i(CLOCK_50),
.rst_i(rst),
.pic_ints_i(20'b0),
.clmode_i(2'b00),

.iwb_clk_i(clk_i),
.iwb_rst_i(rst),
.iwb_dat_i(32'b0),
.iwb_ack_i(1'b0),
.iwb_err_i(1'b0),
.iwb_rty_i(1'b0),
.iwb_cyc_o(),
.iwb_adr_o(),
.iwb_dat_o(),
.iwb_stb_o(),
.iwb_we_o(),
.iwb_sel_o(),
`ifdef OR1200_WB_CAB
.iwb_cab_o(),
`endif

.dwb_clk_i(clk_i),
.dwb_rst_i(rst),
.dwb_dat_i(32'b0),
.dwb_ack_i(1'b0),
.dwb_err_i(1'b0),
.dwb_rty_i(1'b0),
.dwb_cyc_o(),
.dwb_adr_o(),
.dwb_dat_o(),
.dwb_stb_o(),
.dwb_we_o(),
.dwb_sel_o(),
`ifdef OR1200_WB_CAB
.dwb_cab_o(),
`endif

.dbg_stall_i(1'b0),
.dbg_ewt_i(1'b0),
.dbg_lss_o(),
.dbg_is_o(),
.dbg_wp_o(),
.dbg_bp_o(),
.dbg_stb_i(1'b0),
.dbg_we_i(1'b0),
.dbg_adr_i(0),
.dbg_dat_i(0),
.dbg_dat_o(),
.dbg_ack_o(),

.pm_cpustall_i(0),
.pm_clksd_o(),
.pm_dc_gate_o(),
.pm_ic_gate_o(),
.pm_dmmu_gate_o(),
.pm_immu_gate_o(),
.pm_tt_gate_o(),
.pm_cpu_gate_o(),
.pm_wakeup_o(),
.pm_lvolt_o()
);
endmodule

 

 

将or1200_tb.v设为仿真的顶层文件。一切就绪，下面进行行为仿真。

 

在左侧设计流程中选择Run Simulation，接着点行为仿真。经过初始化，进入Vivado Simulator界面。添加信号or1200_tb/or1200_top_inst/or1200_cpu/or1200_ctrl/ex_insn，or1200_tb/or1200_top_inst/or1200_cpu/or1200_rf/rf_b/mem[1]和mem[2]到波形观测窗。

将前面生成的OpenRISC代码mem.data复制到仿真目录（根据你的工程路径设置），如下图

 

在仿真界面命令行依次输入restart，run 1000ns后得到结果如下

 

对比mem.data文件最后几行二进制代码：
a4000000
e020004d
e040004d
9c21000a
e0420800
15000001

可以看到，ex_insn信号依次呈现了上述指令，并且能看到mem[1]和mem[2]的值依次变为0x0000000a。对比前面trace文件可以知道，mem[1]即OpenRISC的r1寄存器，mem[2]即r2寄存器，依次类推。我们在进一步学习OpenRISC时，可以重点关注这些寄存器的值变化。

为了直观看到取指、译码、执行流水线，我们再加入or1200_tb/or1200_top_inst/or1200_cpu/or1200_ctrl/ex_insn/if_insn和id_insn两个信号，重启仿真过程：restart, run all.

 

可以看到指令沿if,id,ex三个模块依次流动，实现了流水线。

本节工程文件可以到我的资源下载。

结论：通过Vivado可以替代ISE完成逻辑开发和验证。