原创 【技术笔记】高云FPGA学习笔记6——ARM点灯工程设计

2022-10-8 23:26 2032 4 5 分类: FPGA/CPLD 文集: 开发板评测
【技术笔记】高云FPGA学习笔记6——ARM点灯工程设计

本文是高云FPGA学习笔记系列的第6篇文章,首发于面包板社区

前面几篇笔记都是介绍的高云GW1NSR-4C FPGA部分的使用,本篇文章介绍片上ARM Cortex-M3硬核处理器的使用,演示如何定制一颗ARM处理器硬件,ARM核程序设计及下载。

关于在FPGA上实现硬核和软核处理器,感兴趣的朋友可以查看之前写的几篇文章:

1. ARM核定制

高云GW1NSR-4C硬核处理器,基于ARM Cortex-M3 32Bit RISC内核,ARM3v7M 架构,最高80MHz工作频率,STM32单片机一般最高是72MHz,而Xilinx Microblaze处理器最高可跑到上百兆,而Microchip的ARM硬核也能跑到100多兆,GW1NSR-4C处理器的主频算是一般速度,不过足够应付一般的应用场景了。

首先打开一个基本的FPGA工程,比如LED点灯工程,打开IP核生成工具,选择IP核保存的路径,模块名称。

双击框图中的GPIO模块,使能GPIO

使能串口0

生成的例化模板:

Gowin_EMPU_Top your_instance_name(
  .sys_clk(sys_clk_i), //input sys_clk
  .gpioin(gpioin_i), //input [15:0] gpioin
  .gpioout(gpioout_o), //output [15:0] gpioout
  .gpioouten(gpioouten_o), //output [15:0] gpioouten
  .uart0_rxd(uart0_rxd_i), //input uart0_rxd
  .uart0_txd(uart0_txd_o), //output uart0_txd
  .reset_n(reset_n_i) //input reset_n
);

例化到顶层模块中:

/***************************************************************
* Copyright(C), 2010-2022, WeChat:MCU149.
* ModuleName : top_hdl.v
* Date       : 2022年9月27日
* Time       : 20:19:39
* Author     : WeChat:MCU149
* Function   : gw1nsr-4c led driver demo
* Version   : v1.0
*     Version | Modify
*     ----------------------------------
*       v1.0   .....
***************************************************************/

module top_hdl(
   //Inputs
   input gclk,      // 27MHz
   input gresetn,    
   input key,
   input uart_rxd,

   //Outputs
   output uart_txd,
   output led
);

wire clk_60m;

wire arm_clk = clk_60m;
wire arm_resetn = gresetn;

wire arm_uart0_rxd = uart_rxd;
wire arm_uart0_txd;
wire [15:0] arm_gpio_in;
wire [15:0] arm_gpio_out;
wire [15:0] arm_gpio_outen;

assign uart_txd = arm_uart0_txd;
assign led = (arm_gpio_out[15:0] == 16'haaaa);
assign arm_gpio_in[15:0] = {16{key}};

Gowin_PLLVR pll_ut0(
  .clkout(clk_60m), //output clkout
  .clkin(gclk) //input clkin
);

Gowin_EMPU_Top arm_cortex_m3_core(
   //Inputs
  .sys_clk(arm_clk),
  .reset_n(arm_resetn),
  .uart0_rxd(arm_uart0_rxd),
  .gpioin(arm_gpio_in[15:0]),

   //Outputs
  .uart0_txd(arm_uart0_txd),
  .gpioout(arm_gpio_out[15:0]),
  .gpioouten(arm_gpio_outen[15:0])
);

endmodule   //top_hdl end

模块的功能为,将按键状态连接到GPIO输入,GPIO输出连接到led,ARM核的主频为60MHz,来自PLL。

2. ARM核程序设计

GW1NSR-4C ARM核程序支持高云官方GMD环境,基于Eclipse开源框架,配合arm-gcc编译器来完成ARM核程序编写、编译、调试、下载等。还支持常用的单片机开发环境Keil-MDK,芯片型号选择通用的ARM-CM3处理器。

官方提供了非常不错的参考设计,包括FPGA工程,GMD工程,Keil工程,

下载地址:Gowin_EMPU_V1.0.zip

http://cdn.gowinsemi.com.cn/Gowin_EMPU_V1.0.zip

还有非常详细的IDE软件使用手册:IPUG928-1.1_Gowin_EMPU(GW1NS-4C)_IDE软件参考手册.pdf

http://cdn.gowinsemi.com.cn/IPUG928-1.1_Gowin_EMPU(GW1NS-4C)_IDE%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E5%8F%82%E8%80%83%E6%89%8B%E5%86%8C.pdf

官方的参考设计基于DK-START开发板,包括FPGA工程和ARM工程(Keil+GMD),涵盖了所有外设的实例,包括固件库,参考设计,AHB2,APB2,I2C,SPI,UART,TIMER,INTC,WDOG,RTC,FreeRTOS,UCOS_II等等

文末有本次示例的工程下载地址,配套TangNano 4K开发板。

首先修改ARM程序中的系统主频,位于system_gw1ns4c.c文件中,


/*----------------------------------------------------------------------------
 Define clocks
*----------------------------------------------------------------------------*/
#define __XTAL           (120000000UL)    /* Oscillator frequency */

#define __SYSTEM_CLOCK   (__XTAL / 2)   /* 60MHz */

和FPGA工程中给定的时钟频率保持一致,否则延时时间不准确,串口输出为乱码。

下面来介绍几个函数的实现。

首先是延时函数实现,基于系统SysTick定时器实现。

需要在gw1ns4c_it.c文件中将SysTick_Handler函数删除,或者添加弱定义关键字,以免和用户的中断函数冲突。


/**
 * @brief This function handles SysTick Handler.
 * @param none
 * @retval none
 */
__weak void SysTick_Handler(void)
{
}

delay.h文件内容

#include "gw1ns4c.h"

void delay_init(void);
void SysTick_Handler(void);
void delay_us(uint32_t nus);
void delay_ms(uint32_t nms);

delay.c文件内容

#include "drv_timer.h"

uint32_t fac_us=0; //us延时倍乘数
uint32_t fac_ms=0; //ms延时倍乘数,在ucos下,代表每个节拍的ms数

void delay_init(void)
{
SystemInit();
SystemCoreClockUpdate();        //可以省略
}

void SysTick_Handler(void)
{
if(fac_us) fac_us--;
if(fac_ms) fac_ms--;
}

void delay_us(uint32_t nus)
{
SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000000);  //定时1us
fac_us = nus;
while(fac_us != 0);
}

void delay_ms(uint32_t nms)
{
SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);     //定时1ms
fac_ms = nms;
while(fac_ms != 0);
}

printf重定向到串口。

Keil环境下:

#include "gw1ns4c.h"
#include

int fputc(int ch, FILE *f)
{
UART_SendChar(UART0, (unsigned char) ch);
while(UART0->STATE & UART_STATE_TXBF);//UART0

return (ch);
}

int fgetc(FILE *f)
{
while(!(UART0->STATE & UART_STATE_RXBF));//UART0

return (int)UART_ReceiveChar(UART0);
}

需要同时勾选使用MicroLib,就可以使用printf函数了。

高云官方GMD环境:

#include "gw1ns4c.h"
#include
#include

__attribute__ ((used)) int _write (int fd, char *ptr, int len)
{
size_t i;

for (i=0; i {
UART_SendChar(UART0,ptr); // call character output function
}

return len;
}

最后主函数设计:

#include "main.h"

int main(void)
{
uint16_t rd = 0;
uint16_t period = 100;

delay_init();
uart0_init(115200);

printf("SystemCoreClock = %d\r\n", SystemCoreClock);
printf("Hello GW1NSR-4C SoC(ARM Cortex-M3)\r\n");

// GPIO_SetOutEnable(GPIO0, 0xffff); //0=in, 1=out

while(1)
{

gpio_read(&rd); //read gpio0

// if(((rd >> 8) & 1) == 0)//key press
if(rd == 0)//key press
{
printf("press: ");
period = 100;
}
else if(rd == 0xffff) //key release
{
printf("release: ");
period = 500;
}
printf("GW1NSR-4C ARM Cortex-M3 (Keil-MDK)\r\n");

gpio_write(0xaaaa);
delay_ms(period);

gpio_write(0x0000);
delay_ms(period);
}
}

主函数的功能为,当按键未按下时,板载LED 500ms翻转一次,同时串口输出Release字符串,按键按下时,板载LED 100ms翻转一次,同时输出press字符串。

编程生成bin格式固件,GMD环境生成路径为:

Keil环境下,需要添加编译后执行fromelf命令,将axf文件转换为bin文件。

fromelf --bin -o "$L@L.bin" "#L"

配置如下图:

3. ARM程序烧写

ARM程序的烧写也比较简单,可以使用FPGA的编程工具,配置如下图所示:

fs文件选择对应的FPGA工程生成的比特流文件,bin文件为ARM核程序。

4. 工程下载

TangNano 4K配套工程下载

作者: whik, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3887760.html

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文章评论3条评论)

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whik 2023-2-8 20:41

PloughingDuck: 您好!看了您的高云FPGA学习笔记,请问您是怎么通过jtag调试ARM点灯工程的呢?我在keil里面总是显示找不到jlink:daku ...
不好意思,我没有使用JLINK调试过内部的ARM核心,所以很遗憾不能帮助你。高云的中文资料很齐全,你可以找一找有没有相关文档。

dollar.zhou 2023-2-2 18:08

有用的分享

PloughingDuck 2022-12-25 20:53

您好!看了您的高云FPGA学习笔记,请问您是怎么通过jtag调试ARM点灯工程的呢?我在keil里面总是显示找不到jlink:daku
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