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pke-doc/chapter7_riscv_on_pynq.md

47 KiB

第七章. RISCV处理器在PYNQ上的部署和接口实验

目录

在本章中我们将结合fpga-pynq开发板在PYNQ上部署RISCV处理器。并带领读者对rocket chip进行一些修改逐步为其添加uart外设支持和中断支持并搭载PKE内核运行小车控制程序实现一个可以通过蓝牙控制的智能小车。读者在完成6.1节和6.2节中的实验环境搭建后便可进行6.3节、6.4节和6.5节中的相关实验。

需要特别注意的是本章中的三个fpga实验并不是独立设计的而是与第七章中的实验4_1、4_2和4_3依次对应。每一个fpga实验为对应的软件实现提供硬件支持。因此读者应该按照如下顺序来完成第六章和第七章的实验在完成“6.3 fpga实验1”后前往第七章完成对应的PKE软件实验——“7.2 lab4_1_POLL”在完成"6.4 fpga实验2"后前往第七章完成对应的PKE软件实验——“7.3 lab4_2_PLIC”在完成"6.5 fpga实验3"后前往第七章完成对应的PKE软件实验——“7.4 lab4_3_hostdevice”。

6.1 系统能力培养部分实验环境安装

6.1.1 Vivado开发环境

Vivado设计套件是FPGA厂商赛灵思公司2012年发布的集成设计环境。本实验需要使用Vivado对FPGA电路进行修改。Vivado设计套件在Windows平台与Linux平台都可安装使用且安装与使用过程基本相同读者可根据自身情况选择。下面详细介绍这两种搭建方案:

方案一Windows平台

Vivado开发环境提供Windows平台支持该方案的安装过程简单推荐读者优先选择此方案进行Vivado开发环境搭建。具体步骤如下:

  1. 下载安装程序。建议安装2016.2版本的Vivado进入下载页面下拉找到2016.2版本,下载Windows Web Installer在弹出的Xilinx账号登录页面注册账号并登录后下载会自动开始。

    vivado_17
  2. 启动安装程序。注意安装过程需要保证网络畅通。以及30G以上的磁盘剩余空间

    双击所下载的安装包直接运行即可。如下图窗口弹出时点击Continue。

    vivado_1
  3. 进入欢迎页面点击next。

    vivado_2
  4. 输入Xilinx账号密码并选中Download and Install Now后点击next。下载Vivado安装包时注册的账号可以在此处使用若无账号则可以点击上方“please create one”进行注册。

    vivado_3
  5. 勾选同意用户协议后点击next。

    vivado_4
  6. 勾选Vivado HL System Edition后点击next。

    vivado_5
  7. 根据需要勾选安装项点击next。

    vivado_6
  8. 选择安装位置。点击左上角的安装位置选择器右侧三点弹出目录选择窗口读者应在此处选择恰当的安装位置Vivado程序将会被安装在所选目录下。

    这里选择安装目录时,需要注意以下两点

    • 当前用户需要有安装目录的写入权限。

    • 所选安装位置剩余空间必须足够读者可以查看左下角的Disk Space Required栏此处会显示安装所需空间以及磁盘剩余空间

    当这两个条件不满足时,页面中会有红字提醒(如下图所示),读者应留意查看:

    vivado_7

    根据提示更换适当的安装目录(下图是选择安装目录适当时的显示):

    vivado_8

    确认无误后点击next继续下一步安装。

  9. 检查安装信息无误后点击install。

    vivado_9
  10. 等待下载安装完成(耗时较长,务必保证下载时网络畅通)。

vivado_10

安装过程中弹出相关组件的安装窗口时,按照弹窗提示点击安装(根据所选组件不同,确认安装弹窗中的软件名称可能有变,一律点击安装即可)。

vivado_12
  1. 添加Vivado证书。读者应自行申请Vivado证书后导入。
vivado_13
  1. 出现如下的MATLAB选择窗口时直接点击右上角叉号关闭即可本实验中不会用到相关功能。
vivado_15
  1. 安装完成并导入证书后,会弹出如下窗口,表明安装成功。点击确认后安装过程结束。
vivado_15

方案二Linux平台Ubuntu桌面环境

注意本方案只在具有图形界面支持的Linux桌面环境中适用Ubuntu桌面环境或虚拟机等。若读者在前文中选择在WSL中安装相关实验环境则强烈建议直接参考前文的方案一在Windows系统中安装Windows版本的Vivado不要按照本方案进行安装。

  1. 下载安装程序。建议安装2016.2版本的Vivado进入下载页面下拉找到2016.2版本,下载Linux Web Installer在弹出的Xilinx账号登录页面注册账号并登录后下载会自动开始。

    vivado_5
  2. 启动安装程序。注意安装过程需要保证网络畅通。以及30G以上的磁盘剩余空间

    首先打开命令行,运行如下命令切换到安装包所在目录:

    $ cd [your.vivado.download.path]

    以上命令中,[your.vivado.download.path]指的是Vivado安装包的所在目录。接下来要为安装包添加可执行权 限,继续在命令行中执行如下命令:

    $ chmod +x Xilinx_Vivado_SDK_2016.2_0605_1_Lin64.bin

    上述命令执行完毕后,安装程序便具有了可执行权限,可以直接启动运行。执行如下命令:

    $ ./Xilinx_Vivado_SDK_2016.2_0605_1_Lin64.bin

    启动安装程序。

3~9步与上文方案一中Windows平台安装的3~9步相同。

  1. 等待下载安装完成(耗时较长,务必保证下载时网络畅通。注意若安装时长时间卡在“generating installed device list”如下图
vivado_5

可以先退出安装程序,退出时仔细阅读弹窗内容(不要删除已经下载的文件缓存,下次运行安装程序时会自动跳过下载,节约读者安装时间)。之后打开命令行,执行:

$ sudo apt install libncurses5

上述命令会安装缺失的ncurses库。ncurses库安装完成后需再次执行Vivado安装程序重做1~9步。

接下来的11~13步与上文方案一中Windows平台安装的11~13步相同。

6.1.2 fpga-pynq工程源码获取

为了方便大家快速获取源码,已将全部源码(包括子模块)打包上传到百度网盘,可以直接下载。

链接https://pan.baidu.com/s/1mTCcKG0EiFdxq4C5HTey3w 
提取码1234 

下载完成后,在命令行中执行如下命令,将源码进行解压。

$ cd 你的源码下载目录
$ cat fpga-pynq.0* > fpga-pynq.tar.gz     #组装文件
$ md5sum  fpga-pynq.tar.gz > md5   #计算MD5校验码
$ cmp md5 md5sum    #比对校验码,如果此处没有任何输出,则为正确
$ tar -zxvf fpga-pynq.tar.gz    #解压文件

或者从github获取源码

$ git clone https://github.com/huozf123/fpga-pynq.git
$ cd fpga-pynq
$ git submodule update --init --recursive

Windows用户注意选择在WSL中完成实验的读者在完成上述步骤后还需要额外注释掉Makefrag文件的第108行在终端中继续输入以下命令

$ cd fpga-pynq
$ sed -i "108s/^/#/" common/Makefrag

6.1.3 工程编译环境配置

注意该步骤中Linuxubuntu桌面环境与WindowsWSL环境下的操作存在一些差异读者应按照自己所用平台选择正确的步骤执行。

Linuxubuntu桌面环境

  1. 安装java jdk首先检查电脑中是否已安装java在中端输入以下命令
java -version
  1. 若能显示java版本号则表明已安装java可以跳过java的安装。否则继续在终端执行如下命令安装java 1.8
sudo apt install openjdk-8-jre-headless
  1. 添加Vivado相关的环境变量在命令行中执行替换掉“你的vivado安装目录”
$ source 你的vivado安装目录/Vivado/2016.2/settings64.sh
$ source 你的vivado安装目录/SDK/2016.2/settings64.sh 

建议直接将上述两行命令添加到~/.bashrc文件的末端避免每次重新打开终端都需要重新执行。

  1. 因为Vivado、SDK存在bug所以需要继续在命令行中执行以下命令替换“你的vivado安装目录”
$ sudo apt-get install libgoogle-perftools-dev
$ export SWT_GTK3=0
$ sudo sed -i "11,15s/^/#/" 你的vivado安装目录/Vivado/2016.2/.settings64-Vivado.sh    #注释该文件第11-15行
  1. 最后初始化子模块(若从网盘中下载源码,则此步无需执行),执行:
    $ cd $REPO/pynq-z2/
    $ make init-submodules

WindowsWSL环境

按照上文中第1、2步说明在WSL中安装java 1.8第3、4步在Windows中无需执行。最后在WSL中按第5步初始化子模块若从网盘中下载源码同样无需执行

6.1.4 蓝牙小车硬件组装

组装蓝牙小车需要的材料清单

pynq-z1开发板、sd卡、蓝牙模块、小车相关硬件电机、电机驱动板、底盘、配套总线、ttl转总线模块、以太网网线、7.4v电池、电池配套电源线、移动电源、usb供电线。

蓝牙小车组装步骤

1组装小车

首先完成小车底盘组装(若采用已预先组装并连线的小车进行实验,则在该步骤中只需将剩下的四个车轮装上后,即可进行第二步)。先将小车两个前轮上的电机驱动板用一根总线连接(每个电机驱动板上有两个总线接口,功能完全相同,两个电机各自任选一个总线接口用导线连接即可),另外再准备一根总线,一端插入两个电机中任一个的余下总线接口,另一端从小车底盘上方引出备用。再将两个后轮也按相同方式连接,引出另一根总线。小车底盘全部组装完成后,上方应该有两根引出的总线待连接(一根连接两个前轮,另一根连接两个后轮)。如下图所示:

hardware_2

2将蓝牙模块连接到PMODA接口

将蓝牙模块的VCC、GND、TXD和RXD管脚连接到pynq-z1的PMODA接口,分别对应PMODA上面一排从左往右第1、2、3和4个管脚。如下图所示

hardware_1

3ttl转总线模块连接

将从小车底盘上引出的两根总线插入到ttl转总线模块上的两个总线接口两个接口不必进行区分。然后用跳线帽将该模块上的ttl-zx针脚进行短接以便让模块工作在ttl转总线模式。之后取出与电池配套的电源线接到ttl转总线模块的电源输入上注意查看电路板背面的正负极标志,红色导线接正极,黑色导线接负极)。再将电源线上的电池插头与电池连接。

取三根公对母杜邦线下面为了叙述方便将这三根杜邦线分别命名为线1、线2和线3读者可通过杜邦线颜色进行区分将线1、线2和线3的母头分别连接到ttl转总线模块上的RXD、TXD与GND注意ttl转总线模块上有两排黄色的ttl接口一排为公头一排为母头这里说的这三个接口是指下面一排的公头。ttl转总线模块连接好后的部分连接如下图所示

hardware_6

再将线1、线2和线3的公头连接到pynq-z1的PMODB接口,分别对应PMODB上面一排从右往左第3、4、5个管脚

hardware_7

注意在连线过程中三根杜邦线没有发生交叉始终是按照线123或线321的顺序插入到接口中的。因此在连接完成后读者可以通过检查线3的两端是否连接的都是GND一端为ttl转总线上的GND另一端为pynq-z1上的GND来判断接线是否正确。连接完成后如下图

hardware_3

4为pynq-z1供电

首先应确保pynq-z1开发板处于从USB供电的状态这需要读者使用跳线帽将电路板左下角印有USB标志的两个针脚短接。然后将USB供电线一端接入开发板左侧的micro USB接口另一端接入移动电源5V 1A。如下图所示

hardware_4

5将pynq-z1开发板、ttl转总线模块、电机电池以及开发板供电电源固定在小车底盘上

6.1.5 操作系统的替换修改

注意,下文中涉及到的指令较多,且需要在不同的地方进行输入。总的来说,需要输入命令的地方大致有三处本地终端、ssh会话、sftp会话。读者在操作过程中,务必要留意文中类似于: “在终端输入”指本地计算机的终端、“在ssh会话中输入”、在“sftp会话中输入”这样的提示。另外需要在这三处输入的命令可能无法避免的交替出现因此建议读者各打开一个窗口分别用来创建ssh连接与sftp连接创建方式在下文需要用到的ssh与sftp的地方有说明读者可以在遇到后再进行创建并在实验完成前不要关闭这样可以避免反复的进行ssh、sftp连接。若由于重启开发板或者其他原因导致连接断开则按照相关创建步骤的说明重新创建连接即可。

1下载PYNQ v2.6启动镜像Boot Image,然后解压得到.img镜像文件。

2把启动镜像写到sd卡中此步Linuxubuntu桌面环境与WindowsWSL环境下操作不同

Linuxubuntu桌面环境

  • 将sd卡插入读卡器连上电脑。

  • 打开终端输入lsblk命令找到刚刚插入的sd卡设备可通过输出的设备所对应的容量判断记下该设备的名称通常为sd*)。

    fpga_4
  • 继续在终端中输入如下命令进行写入,将镜像文件路径替换为第1中解压得到的.img镜像文件所在路径设备名称替换为上一步中记录下的设备名称(该命令具有一定风险会清空指定设备上原有的所有文件不可逆输入该命令时务必仔细检查正确的名称一般为sdb或sdc等后面不带数字且容量与插入的sd卡设备相同

    sudo dd bs=4M if=镜像文件路径 of=/dev/设备名称
    

该命令执行耗时较长,且在执行完成前不会有任何输出,请读者耐心等待。

  • 拔出sd卡。

WindowsWSL环境

  • 这里下载Win32 Disk Imager软件并安装。

  • 将sd卡插入读卡器连上电脑。

  • 打开Win32 Disk Imager映像文件处选择解压得到的img文件然后在设备选择处选择插入的sd卡最后点击写入按钮。

    windows_1
  • 拔出sd卡。

3将sd卡插入到pynq-z1开发板中检查pynq-z1左上角的跳线帽是否短接了靠上面的两个针脚这样做是为了确保pynq-z1处于从sd卡启动的状态。如下图所示

hardware_5

打开电源左下方的开关等待系统启动。系统启动耗时较长启动完成后开发板下方的四个蓝色led灯会在数次闪烁后保持长亮此时表明系统已经启动完成。用网线连接电脑和开发板开发板上的网口在左侧

注意若遇到以下情况开发板电源开关旁边的红灯闪烁或熄灭开发板无法正常启动开发板启动后随机发生自动重启表现为ssh会话断开或卡死则应该检查

  • USB电源输入是否正常

  • 电源开关旁的跳线帽是否连接了USB标志对应的两个针脚

  • 电源开关旁的跳线帽是否松动

4修改网卡IP地址此步Linuxubuntu桌面环境与WindowsWSL环境下操作不同

Linuxubuntu桌面环境

打开电脑终端,执行如下命令,需要将有线网卡名称替换为电脑上实际的有线网卡名称,可以通过执行ifconfig命令查看通常为eth0、enp7s0等。该命令将电脑有线网卡ip地址设置为192.168.2.13。注意若在所使用电脑的有线网卡中配置了自动连接的PPPOE协议等手动指定的ip地址可能会在一段时间后就被自动覆盖导致实验失败读者应根据自己电脑的具体情况暂时关闭相关设置。

sudo ifconfig 有线网卡名称 192.168.2.13

WindowsWSL环境

点击左下角Windows图标输入“控制面板”这时会看到控制面板点击打开控制面板。然后依次点击网络和Internet、网络和共享中心、更改适配器设置在窗口左侧找到以太网右键单击点击“属性”打开以太网属性设置窗口。

windows_2

找到Internet协议版本4TCP/IPv4双击打开。选择“使用下面的IP地址”并将IP地址改为192.168.2.13子网掩码改为255.255.255.0,最后点击确定保存。

windows_3

5下载libfesvr.sofrontend server运行需要的动态链接库riscv-fesvrfrontend server

6创建一个烧写bitstream的shell脚本

由于烧写bitstream的操作在之后的实验中会多次进行读者每次在对硬件进行修改后都需要重新烧写bitstream到pynq-z1开发板中才能生效因此可以将烧写bitstream的命令保存在一个脚本中便于后续使用。用文本编辑器创建一个文本文件命名为program.sh 输入如下内容后保存:

注意若读者在Windows平台进行实验**千万不要用系统自带的记事本创建此文件!**因为记事本会默认将文件保存成dos格式会导致将脚本传输到Linux系统中执行时报错。Windows用户可以选择1. 在WSL中创建该文件2. 不要在Windows中创建该文件暂时跳过这一步当后文利用ssh协议连接到开发板后直接在ssh会话中启动vim创建该文件3. 若执意在Windows图形界面中创建该文件请下载sublime文本编辑器进行创建

#! /bin/sh
cp rocketchip_wrapper.bit.bin /lib/firmware/
echo 0 > /sys/class/fpga_manager/fpga0/flags
echo rocketchip_wrapper.bit.bin > /sys/class/fpga_manager/fpga0/firmware

7将这三个文件通过SFTP传输到开发板的/home/xilinx目录下需要先将[libfesvr.so所在路径]、[riscv-fesvr所在路径]与[program.sh所在路径]分别替换成前两步中libfesvr.so、riscv-fesvr与program.sh文件所在的路径。此步Linuxubuntu桌面环境与WindowsWSL环境下操作不同

Linuxubuntu桌面环境

创建sftp连接

sftp xilinx@192.168.2.99
密码输入xilinx

sftp会话中输入:

put [libfesvr.so所在路径] /home/xilinx
put [riscv-fesvr所在路径] /home/xilinx
put [program.sh所在路径] /home/xilinx

WindowsWSL环境

在Windows下进行fpga实验的读者既可以选择在WSL中执行上述Linux环境下的sftp连接命令从而直接在WSL中完成文件的传输操作也可以选择更加方便的带图形界面的sftp客户端程序来完成文件的传输操作。下面介绍如何使用MobaXterm软件来完成文件传输。注意后文中的其他步骤仍然会用到sftp连接为避免文章篇幅过长Windows环境下图形界面的文件传输操作只会在此处介绍一次读者在后续步骤中碰到需要使用sftp传输文件的操作时可以参考此处的操作方式

以传输文件libfesvr.so为例下面是具体步骤

打开MobaXterm点击左上角的“Session”。

windows_4

在弹出的窗口中选择“SFTP“然后在Remote host后填入192.168.2.99在Username后填入xilinx最后点击OK。

windows_5

输入密码xilinx后点击OK。

windows_6

在图中“1”处定位到libfesvr.so所在文件夹然后在图中“2”处找到文件libfesvr.so将该文件用鼠标拖动到图中“3”处等待文件传输完成即可。

windows_7

以同样的方式再将riscv-fesvr文件与program.sh文件传输到pynq-z1开发板中。

8用ssh远程登录192.168.2.99开发板的ip地址用户名密码都为xilinx。此步Linuxubuntu桌面环境与WindowsWSL环境下操作不同

Linuxubuntu桌面环境

在终端中输入如下命令来建立ssh连接

ssh xilinx@192.168.2.99
第一次运行时会提示确认连接信息输入yes后回车
密码输入xilinx

WindowsWSL环境

Windows用户既可以选择在WSL中用与上述Linux下相同的方式在终端中建立ssh连接也可以选择用带图形界面的ssh客户端来建立ssh连接。下面介绍如何在Windows环境中使用MobaXterm软件建立ssh连接的步骤。注意后文中的其他步骤仍然会用到ssh连接为避免文章篇幅过长Windows环境下图形界面的ssh连接建立过程只会在此处介绍一次读者在后续步骤中碰到需要使用ssh与pynq-z1建立连接的操作时可以参考此处的操作方式

打开MobaXterm点击左上角的“Session”。

windows_4

在弹出的窗口中选择“SSH“然后在Remote host后填入192.168.2.99勾选Specify username并在其后填入xilinx最后点击OK。

windows_8

输入密码xilinx后回车。

9ssh会话中,依次执行以下命令:

$ sudo mv libfesvr.so /usr/local/lib/ #密码输入xilinx
$ sudo mkdir -p /lib/firmware
$ chmod +x program.sh
$ chmod +x riscv-fesvr

10修改完成断开ssh、sftp连接。

若是在图形窗口中创建的连接则直接关闭窗口即可若是在Linux终端或WSL中创建的连接则输入“exit”后回车。

6.2 fpga实验1在Rocket Chip上添加uart接口

实验目的

对于前文中提到的蓝牙智能小车在其从蓝牙设备获取用户指令以及向电机驱动板发送电机驱动命令的过程都需要用到uart接口与外设进行通信。因此在本实验中首先带领读者为Rocket Chip添加uart外设的支持。

实验内容

为Rocket Chip添加uart支持

Rocket Chip相关的verilog文件主要是由Chisel自动生成的这些verilog文件难以直接进行修改编辑。为了改变Rocket Chip的行为正确的修改方式是对common/src/main/scala下的文件进行修改并运行rocket chip生成器生成相关的verilog文件再将生成的verilog文件复制到src/verilog工程目录下。其中运行rocket chip生成器以及复制文件的相关操作都已经为读者写入了make file中并不需要手动执行读者只需按照以下步骤修改相关配置文件并按照说明执行编译命令即可。

下面是具体的操作步骤

为了能够在PKE中像访问普通内存一样对新增的uart外设进行访问我们需要对Rocket Chip进行修改为其添加MMIO的支持。然后需要在顶层verilog文件中增加MMIO接口和uart接口其中的MMIO接口用来将Rocket Chip中的MMIO接口与block design中添加的MMIO_s_axi接口进行连接uart接口则用来将在block design中添加的uart接口暴露出去。在完成顶层verilog文件中接口的添加后还需修改xdc约束文件将uart接口与fpga开发板上的物理接口进行绑定便于后续外设的连接。

  1. 修改Rocket Chip以增加其对MMIOMemory-mapped I/O的支持

    修改文件$REPO/common/src/main/scala/Top.scala。修改后的文件为Top.scala修改过的地方均有modified标识。

  2. 修改工程顶层verilog文件增加MMIO接口和uart接口的连接

    修改文件$REPO/common/rocketchip_wrapper.v。修改后的文件为rocketchip_wrapper.v修改过的地方均有modified标识。

  3. 修改xdc约束文件

    修改文件$REPO/pynq-z2/src/constrs/base.xdc。为了将$REPO/common/rocketchip_wrapper.v中定义的uart接口与fpga开发板上的IO管脚建立链接并定义IO管脚的电平标准我们需要在xdc约束文件末尾加入如下四行代码映射uart接口。这四行代码将uart_out、uart_in、uart2_out和uart2_in端口依次绑定到FPGA开发板的Y16、Y17、T11和T10管脚其中Y16与Y17管脚分别对应于pynq-z1开发板上PMODA接口中上面一排的从左往右第三、第四个接口这两个接口在后面会用来连接蓝牙模块的数据收发管脚具体的安装方式在本实验末尾会进行介绍。类似的T11和T10两个接口分别对应PMODB接口中上面一排的从左往右第三、第四个接口,用来连接电机驱动板的数据收发管脚。

    set_property -dict { PACKAGE_PIN Y16   IOSTANDARD LVCMOS33 }    [get_ports { uart_out }]; #IO_L7P_T1_34 Sch=ja_p[2]
    set_property -dict { PACKAGE_PIN Y17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { uart_in }]; #IO_L7N_T1_34 Sch=ja_n[2]
    
    set_property -dict { PACKAGE_PIN T11   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { uart2_out }]; #IO_L1P_T0_34 Sch=jb_p[2]
     set_property -dict { PACKAGE_PIN T10   IOSTANDARD LVCMOS33 }    [get_ports { uart2_in }]; #IO_L1N_T0_34 Sch=jb_n[2]
    

    修改后的文件为base.xdc

在完成上述三处文件修改后编译生成vivado工程

  1. 生成vivado工程

    注意该步骤中Linuxubuntu桌面环境与WindowsWSL环境下的操作存在一些差异读者应按照自己所用平台选择正确的步骤执行。

    Linuxubuntu桌面环境

    在命令行中执行如下命令生成并打开vivado工程。

    $ cd $REPO/pynq-z2/
    $ make project
    $ make vivado
    

    WindowsWSL环境

    在WSL命令行中执行如下命令

    $ cd $REPO/pynq-z2/
    $ make project
    

    在Windows中第一次生成工程时还需要进行以下操作后续在修改Rocket Chip后重新生成时只需要执行上述两条命令即可

    按快捷键win+r打开运行窗口输入cmd后按回车键打开命令提示符窗口。在命令提示符窗口中执行如下命令设置vivado环境变量替换掉“你的vivado安装目录”

    > 你的vivado安装路径\Vivado\2016.2\settings64.bat
    

    然后切换盘符到源码所在盘比如若源码保存在d盘则在命令提示符窗口中输入d:,切换完成后继续在命令提示符窗口中输入以下命令(替换掉“你的源码所在目录”):

    > cd 你的源码所在目录\fpga-zynq\pynq-z2\
    > vivado -mode tcl -source src/tcl/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig.tcl
    

    双击桌面图标打开Windows中安装好的vivado点击Open Project找到你的源码所在目录\fpga-zynq\pynq-z2\pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig\pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig.xpr双击打开。

然后我们需要在block design中添加uart相关的接口和IP核并完成地址分配。

  1. 修改block design

    1打开vivado工程后Sourses面板点击rocketchip_wrapper左边的加号,然后再双击system_i打开block design面板。在最左边找到S_AXI端口,点击选中,然后再按ctrl+cctrl+v,这样就复制出一个同样的端口S_AXI1,点击选中这个S_AXI1,找到左边External Interface Properties面板,把Name改为MMIO_S_AXIClock Port选择ext_clk_in;选中最左侧的ext_clk_in端口,找到左边External Port Properties面板,将FrequencyMhz修改为50

    fpga_1

    2在右侧电路图面板空白处点击右键再点击Add IP...然后输入axi interconnect然后双击出现的搜索结果把axi interconnect放入电路图中然后双击新出现的axi_interconnect_2,将Number of Master Interface改为2然后点击OK

    3在右侧电路图面板空白处点击右键再点击Add IP...然后输入axi uartlite然后双击出现的搜索结果把axi uartlite放入电路图中然后双击新出现的axi_uartlite_0,将Baud Rate改为115200然后点击OKaxi_uartlite_0用来与蓝牙模块进行串口通信,其波特率需要与蓝牙模块的波特率相同,若读者使用的蓝牙模块为其他的波特率,则应该将Baud Rate改为蓝牙模块的实际波特率(或通过串口调试软件改变蓝牙模块的波特率)。

    4重复步骤3再添加一个axi uartlite该IP核会被自动命名为axi_uartlite_1,双击axi_uartlite_1,同样将其Baud Rate改为115200然后点击OKaxi_uartlite_1用来与电机驱动板进行串口通信其波特率需要与电机驱动板以串口方式进行控制的波特率相同在本实验用到的小车中电机驱动板的波特率为115200。

    5在右侧电路图面板空白处点击右键再点击Create Port...Port name为uart_inDirection为InputType为Other点击OK。

    6在右侧电路图面板空白处点击右键再点击Create Port...Port name为uart2_inDirection为InputType为Other点击OK。

    7在右侧电路图面板空白处点击右键再点击Create Port...Port name为uart_outDirection为OutputType为Other点击OK。

    8在右侧电路图面板空白处点击右键再点击Create Port...Port name为uart2_outDirection为OutputType为Other点击OK。

    7按照如图方式接好电路图(注意uart_lite_0右侧的UART端口右边有个加号需要点一下加号展开再进行连线)。

    fpga_2

    8点击上面的Address Editor,然后在未映射的单元上右键单击, 并在弹出的菜单中点击assign address

    fpga_11

    按照如图所示配置地址建议先修改Range属性再修改Offset Address属性否则Offset Address可能修改不成功该操作将蓝牙模块的地址映射到了0x6000_0000将电机驱动的地址映射到了0x6000_1000。

    fpga_3
  2. 保存所有修改后的文件(也可以选择直接点击下一步中的Generate Bitstreamvivado会对未保存内容弹窗提醒用户保存读者应留意相关弹窗内容

上述修改全部完成后便可以进行bitstream文件的生成以及打包的工作。打包得到的rocketchip_wrapper.bit.bin文件最终是需要烧录到pynq-z1开发板中来实现相关硬件功能的。

  1. 生成bitstream文件

    最后,点击左下角的Generate Bitstream生成比特流文件。(该步骤耗时较长)

    当弹出如下对话框时点击yes

    fpga_9

    当弹出如下对话框时表明bitstream生成完成点击cancel

    fpga_10
  2. 打包bitstream文件为bin文件

    注意该步骤中Linuxubuntu桌面环境与WindowsWSL环境下的操作存在一些差异读者应按照自己所用平台选择正确的步骤执行。

    Linuxubuntu桌面环境

    1创建Full_Bitstream.bif文件

    该文件为纯文本文件,可以直接用记事本创建,并输入如下内容后保存:

    all:
    {
        rocketchip_wrapper.bit /* Bitstream file name */
    }
    

    将该文件重命名为Full_Bitstream.bif然后将其复制到$REPO/pynq-z2/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig.runs/impl_1目录下。

    2生成比特流bin文件

    在终端执行以下命令生成bin文件

    $ cd $REPO/pynq-z2/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig.runs/impl_1
    $ bootgen -image Full_Bitstream.bif -arch zynq -process_bitstream bin -w on
    

    WindowsWSL环境

    1创建Full_Bitstream.bif文件

    创建步骤与上文Linux桌面环境下基本相同读者根据自己的习惯在WSL或者Windows图形界面中创建该文件皆可创建完成后将其复制到$REPO/pynq-z2/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig.runs/impl_1目录下。

    2生成比特流bin文件

    按快捷键win+r打开运行窗口输入cmd后按回车键打开命令提示符窗口。在命令提示符窗口中执行如下命令设置vivado环境变量替换掉“你的vivado安装目录”

    > 你的vivado安装路径\Vivado\2016.2\settings64.bat
    

    接着按照前文中所述方式切换盘符到源码所在盘,接着在命令提示符窗口中执行如下命令(替换掉“你的源码所在目录”):

    > cd 你的源码所在目录\pynq-z2\pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig\pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig.runs\impl_1
    > bootgen -image Full_Bitstream.bif -arch zynq -process_bitstream bin -w on
    
  3. 硬件组装

    按照前文6.1.4节的说明完成蓝牙小车的组装。

  4. 操作系统的替换修改

    按照前文6.1.5节的说明完成操作系统的替换修改。

  5. 烧写bitstream

$REPO/pynq-z2/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig/pynq_rocketchip_ZynqFPGAConfig.runs/impl_1下的rocketchip_wrapper.bit.bin文件传输到pynq-z1开发板中后执行烧录脚本即可具体方法如下

1将rocketchip_wrapper.bit.bin传输到pynq-z1中

若使用sftp协议在命令行中传输则在sftp会话中输入如下命令:

put [rocketchip_wrapper.bit.bin所在路径] /home/xilinx

Windows图形界面下的传输方法不再赘述。

2ssh会话中,执行以下命令:

$ sudo ./program.sh  #密码输入xilinx

实验结果

在完成本实验后,一个基础的蓝牙小车所需要的硬件环境就搭建完成了。接下来,读者应该前往第七章完成lab4_1_POLL实验,在完成lab4_1_POLL并将riscv_pke与小车控制程序发送到pynq-z1上执行后小车便可以通过蓝牙app进行控制。

6.3 fpga实验2以中断方式实现uart通信

该实验以fpga实验1的修改为基础读者可以先将fpga实验1中最后生成的rocketchip_wrapper.bit.bin文件复制到其他目录保存,然后直接在同一个项目文件夹下继续本实验

实验目的

在上一个fpga实验中读者已经为Rocket Chip添加了uart通信功能但是目前在PKE中需要以轮询的方式实现uart通信这一点读者在完成lab4_1时应该有所体会程序需要不断读取蓝牙模块的状态寄存器来判断IO设备是否准备好发送或接收数据。本实验将会为uart添加中断机制以中断方式实现uart通信。

实验内容

以中断方式实现uart通信

要想在Rocket Chip上实现对uart外设的中断通信支持一方面需要通过修改Rocket Chip的结构来为Rocket Chip添加中断引脚另一方面需要修改block design将uart产生的中断信号线连接到Rocket Chip的中断引脚。

下面是具体的操作步骤:

首先我们需要修改Rocket Chip结构为其添加外部中断接口。

  1. 修改Rocket Chip结构暴露外部中断接口

    修改$REPO/common/src/main/scala/Top.scala文件:

    第16行加入

    val interrupt_in = Input(UInt(2.W)) //给rocket-chip增加一个位宽为2的输入端口
    

    第32行加入

    io.interrupt_in <> target.interrupts //将rocket-chip内部的中断引脚和刚刚增加的端口连接起来
    

    注释掉第40行该语句原本的作用是直接把中断引脚置为低电平以防止中断引脚悬空

    //target.tieOffInterrupts()
    

    这是修改好的rocket-chip顶层文件

  2. 修改$REPO/common/rocketchip_wrapper.v文件

    此处主要的改动是将block design引出的uart中断引脚连接到rocket chip对应端口。

    这是修改好的rocketchip_wrapper.v文件。

上述文件修改完成后需要删除之前编译工程时产生的临时文件并重新编译vivado工程。只有执行该步操作才能将上述修改引入到vivado工程中去。

  1. 重新生成vivado工程

    在Linux终端或WSL中执行如下命令重新生成vivado工程。命令执行完成后会自动在vivado中打开项目。

    $ cd $REPO/pynq-z2
    $ rm -f src/verilog/Top.ZynqFPGAConfig.v
    $ rm -f ../common/build/*
    $ make project
    

然后要将block design中的两个axi uartlite IP核的中断信号引出。

  1. 修改block design

    1打开vivado工程后Sourses面板点击rocketchip_wrapper左边的加号,然后再双击system_i打开block design面板。在右侧电路图面板空白处点击右键再点击Add IP...然后输入concat然后双击出现的搜索结果把concat放入电路图中然后双击新出现的xlconcat_0模块将Number of Ports设置为2In0 Width设置为1In1 Width设置为1然后点击OK。该concat IP核的作用是将axi_uartlite_0与axi_uartlite_1两个模块产生的一位中断信号进行拼接合并成一路位宽为2的中断信号该信号会被连接到上文中为Rocket Chip添加的位宽为2的中断输入端口。

    2右键点击空白处点击create portport名称填写interruptsdirection选择outputtype选择interrupt勾选create vector填写from 1 to 0。

    3按如图方式连线

    fpga_5
  2. 保存所有修改后的文件(也可以选择直接点击下一步中的Generate Bitstreamvivado会对未保存内容弹窗提醒用户保存读者应留意相关弹窗内容

完成所有的修改后需要重新进行bitstream文件的生成以及打包的工作然后将新生成的rocketchip_wrapper.bit.bin烧录到pynq-z1开发板中。

  1. 生成bitstream文件

    最后,点击左下角的Generate Bitstream生成比特流文件。(该步骤耗时较长)

  2. 打包bitstream文件为bin文件

    见上文fpga实验1 步骤8。若读者选择在与fpga实验1相同的项目文件夹下继续完成本次实验则Full_Bitstream.bif文件应该已经存在那么可以跳过fpga实验1 步骤8创建Full_Bitstream.bif文件的步骤。

  3. 硬件连接

    本次实验的硬件连接与fpga实验1完全相同读者同样需要按照6.1.4节的说明完成蓝牙小车的硬件组装。

  4. 操作系统的替换修改

    若在进行本次实验时pynq-z1开发板中插入的sd卡与fpga实验1中相同,且没有删除过fpga实验1中创建的相关文件则该步骤可以直接跳过。否则读者应参考6.1.5节中的说明重新为sd卡写入操作系统并完成相关文件的替换和修改。

  5. 烧写bitstream

见上文fpga实验1 步骤11

实验结果

在完成本实验后当蓝牙模块在收到蓝牙串口app发送的指令时会产生一个外部中断该中断能够在后续的PKE实验中被操作系统所捕获并做出相应的反应如唤醒一个处于阻塞状态的进程。读者在完成本次fpga实验后应该前往第七章完成PKE实验lab4_2_PLIC,该实验会通过中断的方式来通过外设向蓝牙小车发送控制指令。

6.4 fpga实验3配置连接到PS端的USB设备

该实验以fpga实验2的修改为基础读者可以先将fpga实验2中最后生成的rocketchip_wrapper.bit.bin文件复制到其他目录保存,然后直接在同一个项目文件夹下开始本实验

实验目的

读者在完成fpga实验1fpga实验2以及第七章中对应的PKE实验lab4_1 POLLlab4_2_PLIC便能得到一个可以通过蓝牙串口助手进行控制的蓝牙小车。该蓝牙小车通过uart接口获取来自手机或其他蓝牙设备的控制指令并根据收到的不同指令选择做出前进、后退、左转和右转动之一。在这个控制过程中接收控制信号的蓝牙模块和发出控制指令的电机驱动模块都是连接在PL端的设备所谓PL端即为pynq开发板上搭载的一块FPGA可编程芯片在fpga实验中生成的比特流文件都需要烧录到PL端使其能够支持riscv-pke的运行在第7章会有关于PL端与PS端更详细的介绍。连接在PL端的设备通常功能比较简单可以由PKE直接进行访问控制。而其他一些功能更加复杂的外设例如USB摄像头则被连接到PS端。运行在PL端的PKE在访问PS端的USB设备时需要通过HTIF协议来调用ARM端的系统调用函数利用功能更加完整的PS端操作系统对其进行访问控制。

本实验的目的是对连接到PS端的USB设备进行一些配置便于USB摄像头的连接。在对应的第七章lab4_3_hostdevice我们要为蓝牙小车连接一个USB摄像头让小车根据摄像头拍摄的画面识别前方出现的障碍物并做出自动避障动作。

实验内容

配置连接到PS端的USB设备

zynq的PS端外设都被封装成了一个ZYNQ7 Processing System IP核因此修改PS端的USB外设连接需要通过配置该IP核进行。

下面是具体的操作步骤:

该实验的操作步骤比较简单只需要在vivado的图形界面中对PS端的USB外设进行一些配置后重新生成bitstream文件即可

  1. 修改block design

    打开vivado工程后Sourses面板点击rocketchip_wrapper左边的加号,然后再双击system_i打开block design面板。双击processing_system7_0进入PS端ARM核的配置界面如下图。

    fpga_6 fpga_7

    点击该窗口左侧的MIO Configuration之后我们可以在右侧的界面中将需要使用的PS端外设与复用IO相连并配置MIO的电平标准。

    按如下图示点击首先确保USB 0前的复选框处于勾选状态然后将USB的12个管脚的speed属性由slow改为fast修改完成后点击OK保存并关闭窗口。

    fpga_8
  2. 生成bitstream文件

    最后,点击左下角的Generate Bitstream生成比特流文件。(该步骤耗时较长)

  3. 打包bitstream文件为bin文件

    见上文fpga实验1 步骤8

  4. 硬件连接

    在完成6.1.4节中硬件连接的基础之上还需要将USB摄像头连接到pynq-z1开发板左上角的USB接口并将USB摄像头固定在小车前方指前进方向固定时建议将摄像头略微向上倾斜。另外需要注意的是为了与第七章中lab4_3_hostdevice的代码相匹配这里连接的摄像头必须支持YUYV格式的画面输出。

  5. 操作系统的替换修改

    若在进行本次实验时pynq-z1开发板中插入的sd卡与fpga实验1中相同,且没有删除过fpga实验1中创建的相关文件则该步骤可以直接跳过。否则读者应参考6.1.5节中的说明重新为sd卡写入操作系统并完成相关文件的替换和修改。

  6. 烧写bitstream

    见上文fpga实验1 步骤11

实验结果

在完成本次实验后USB摄像头便可以正确的连接到开发板的PS端。读者接下来应该前往第七章继续完成lab4_3_hostdevice,在完成lab4_3_hostdevice中PKE相关代码的修改后连接到PS端的USB外设便可以被运行在PL端的PKE调用从而在此基础上进一步为蓝牙小车增添自动避障的功能。