蜂鸟FPGA开发板及JTAG下载器详细说明

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描述

1 概述

为了便于初学者能够快速地学习RISC-V CPU设计和RISC-V嵌入式开发,蜂鸟E203开源MCU原型SoC(在本文中将其简称为“MCU SoC”或者“SoC”)定制了基于Xilinx FPGA的专用开发板(在本文中将其简称为“FPGA开发板”)和专用JTAG调试器(在本文中将其简称为“JTAG调试器”)。

完整的FPGA开发板原型(包括FPGA开发板和调试器)如图1-1所示。

图1-1 蜂鸟FPGA开发板和JTAG调试器,后文将分别予以详述。

2 蜂鸟FPGA开发板 概述

2.1 FPGA开发板总体说明

为了便于蜂鸟FPGA开发板的使用,FPGA开发板具备如下特点:

一板两用,该开发板不仅可以用于一块FPGA开发板作为电路设计使用,同时由于其预烧了蜂鸟E203开源SoC(包括E203内核),因此其可以直接作为一块MCU SoC原型开发板进行嵌入式软件开发。即:

(1) 对于不懂FPGA软件开发的用户完全无需做任何的操作,该开发板会预先烧写开源的蜂鸟E203 Core和配套SoC,上电后即可当做一块MCU嵌入式开发板来用。  

(2) 对于了解FPGA使用的硬件用户而言,也可以将其当做普通的FPGA    开发板来烧写普通的Verilog电路以进行FPGA开发。  

由于其预先烧写的蜂鸟E203 Core和配套SoC源代码完全开源,可以对其任意进行修改或二次开发。

并且由于开源的蜂鸟E203 MCU SoC的 “FPGA烧写文件(mcs格式)”会上传到:

https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/tree/master/fpga/nucleikit/prebuilt_mcs 目录下,用户可以随时重新烧写此FPGA板将其恢复成为预装的MCU嵌入式开发板。

2.2 FPGA开发板的购买途径

FPGA开发板的淘宝购买网页链接:

https://item.taobao.com/item.htm?id=580813056318

¥HoCVbR7Z0I3¥

(复制该链接,打开手机淘宝即可查看)

2.3 FPGA开发板的硬件指标

蜂鸟E203专用FPGA开发板是一款入门级Xilinx FPGA开发板,如图2-1所示。

图2-1 蜂鸟FPGA开发板总体图该FPGA开发板的硬件特性如下:

使用的FPGA型号为Xilinx XC7A100T。 

板载双晶振设计:100MHz主时钟和32.768K RTC时钟。 

配备单独直流5V供电,并设有电源开关,如图2-1中的“DC:5V供电及开关”标注。    

配备独立的FPGA_RESET按键,用户可用此按键作为FPGA的复位按键。

配备多达126个引出的FPGA GPIO,用于用户自定义使用。

配备多个电源状态指示LED灯。

配备板载的Xilinx Platform Cable USB JTAG下载器,用于对FPGA进行比特流的烧写,如图2-1中的“FPGA JTAG”标注。

配备两颗MT41K128M16JT-125K DDR III 颗粒。

配备独立的128M-bit FPGA SPI Flash,此Flash用于存储mcs格式的比特流文件:

(1)熟悉Vivado和Xilinx FPGA使用的用户应该了解,bitstream文件烧录到FPGA中去之后FPGA不能掉电,因为一旦掉电之后FPGA烧录的内容即丢失,需要重新使用Vivado的Hardware Manager进行烧录方能使用。为了方便用户使用,Xilinx的FPGA开发板可以将需要烧录的内容写入开发板上的Flash中(以mcs格式),然后在每次FPGA上电之后通过硬件电路自动将需要烧录的内容从外部的Flash中读出并烧录到FPGA之中(该过程非常的快,不影响用户使用)。由于Flash是非易失性的内存,具有掉电后仍可保存的特性,因此意味着将需要烧录的内容写入 Flash后,每次掉电后无需使用Hardware Manager人工重新烧录(而是硬件电路快速自动完成),即等效于,FPGA上电即可使用。

(2)除了上电自动对FPGA重新进行烧录外,用户还可以通过强行按FPGA开发板上的“FPGA_PROG”按键触发硬件电路使用此Flash中的内容对FPGA重新进行烧录。FPGA开发板上的“FPGA_PROG”按键位置请参见图2-1中标注所示。

为了便于此开发板直接作为MCU原型嵌入式开发板使用,将蜂鸟E203开源SoC的顶层引脚直接连到开发板上,并配有明显的丝印标注。请参见第2.5节了解详细介绍。

为了便于此开发板作为常规FPGA开发板使用,配备分离的拨码开关和LED灯,请参见第2.6节了解详细介绍。

2.4 FPGA开发板的电路原理图

该开发板的电路原理图保存于:

https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/tree/master/boards 目录下,请用户自行查阅。

(查看方式:1.下滑页面到文章最末,点击“阅读原文”查看e200_opensource项目总链接;2.在公众号后台回复“链接”,即可访问)

2.5 FPGA开发板的MCU部分

为了便于此开发板直接作为MCU原型嵌入式开发板使用,将“蜂鸟E203开源SoC”(简称SoC)的顶层引脚直接连到开发板上,并配有明显的丝印标注,详细描述如图2-2中所示,其要点如下:

FPGA预先烧写成为“蜂鸟E203开源MCU SoC”(简称SoC)

为了实现MCU的功能,在FPGA开发板上专门配备了一个Nor Flash用于存储MCU的软件程序。

MCU SoC的两个输入时钟输入分别按照如下方式产生:

(1)低速的实时时钟直接由FPGA开发板上的32.768KHz时钟源输入(2)高速时钟由FPGA开发板上的100MHz时钟经过FPGA内部PLL降频而得(16MHz)。

将SoC的相关输入输出管脚明确的做到FPGA开发板上,并且用印刷字体明确的表明端口号。

有关此SoC的输入输出管脚列表的详细信息,

请参见https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/blob/master/doc 目录下的文档《蜂鸟E203开源SoC简介》。

注意:所有的管脚都只是映射到FPGA内部的普通端口(双向IO)上,然后通过FPGA Project通过设置端口映射把FPGA端口映射到这些外部预定义的开发板引脚。有关FPGA Project的详细信息请参见:https://github.com/SIRISCV/e200_opensource/blob/master/doc 目录下的文档《蜂鸟E203快速上手介绍》。

更多详细描述如图2-2中所示。

图2-2 蜂鸟FPGA开发板的MCU定制部分

2.6 FPGA开发板的常规功能部分

为了便于此开发板作为常规FPGA开发板使用,配备分离的拨码开关和LED灯,如图2-3中所示。

注意:此组拨码开关和LED并没有被连接到FPGA的管脚上,用户可以自由的进行跳线使其控制开发板上的其他信号。如图2-3中所示,用户可以通过用杜邦线跳线将“拨码开关”与MCU SoC的GPIO接口连接,相当于通过拨码开关来产生GPIO的输入,从而可以编程构建形象化的简单Demo。

图2-3 蜂鸟FPGA开发板的拨码开关和LED灯以及跳线示例

2.7 烧写蜂鸟E203项目至FPGA开发板

有关如何烧写蜂鸟E203项目(包括SoC和处理器内核)至此FPGA开发板的具体操作步骤,请参见https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/blob/master/doc 目录下的文档《蜂鸟E203快速上手介绍》。

2.8 使用FPGA开发板进行软件开发与调试

有关如何使用FPGA开发板进行软件开发与调试的具体操作步骤,请参见https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/blob/master/doc 目录下的文档《蜂鸟E203快速上手介绍》。

(查看方式:1.下滑页面到文章最末,点击“阅读原文”查看e200_opensource项目总链接;2.在公众号后台回复“链接”,即可访问)

3 蜂鸟JTAG调试器

3.1 JTAG调试器总体说明

图3-1 蜂鸟E203专用的JTAG调试器

为了便于初学者能够快速地学习RISC-V嵌入式开发,“蜂鸟MCU SoC”定制了专用的JTAG调试器,该调试器具有如下特性:

调试器的一端为普通U盘接口,便于直接将其插入主机PC的USB接口,另一端为标准的4线JTAG接口和2线UART接口。

调试器具备USB转JTAG功能,通过标准的4线JTAG接口与蜂鸟E203 FPGA开发板连接。由于蜂鸟E203 内核支持标准的JTAG接口,通过此接口可以程序下载或进行交互式调试。

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