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【分享】 蜂鸟FPGA开发板和JTAG调试器介绍

发表于 开源蜂鸟E203 2018-11-09 11:11:00
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随着国内第一本RISC-V中文书籍《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》正式上市,越来越多的爱好者开始使用开源的蜂鸟E203 RISC-V处理核,很多初学者留言询问有关RISC-V工具链使用的问题。


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”)。


本篇主要就蜂鸟FPGA开发板及蜂鸟JTAG下载器进行详细说明,更多信息可下拉页面到文末,点击“阅读原文”查看更多内容。

目录

1 概述

2 蜂鸟FPGA开发板

    2.1 FPGA开发板总体说明

    2.2 FPGA开发板的购买途径

    2.3 FPGA开发板的硬件指标

    2.4 FPGA开发板的电路原理图

    2.5 FPGA开发板的MCU部分

    2.6 FPGA开发板的常规功能部分

    2.7 烧写蜂鸟E203项目至FPGA开发板

    2.8 使用FPGA开发板进行软件开发与调试

3 蜂鸟JTAG调试器

    3.1 JTAG调试器总体说明

    3.2 JTAG调试器的购买途径

    3.3 JTAG调试器与FPGA开发板相连

    3.4 使用JTAG调试器进行软件下载与调试

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

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(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 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。


  • 调试器具备UART转USB功能,通过标准的2线UART接口与蜂鸟E203 FPGA开发板连接。由于嵌入式系统往往没有配备显示屏,因此常用UART口连接主机PC的COM口(或者将UART转换为USB后连接主机PC的USB口)进行调试,这样便可以将嵌入式系统中的printf函数重定向打印至主机的显示屏。参见中文书籍《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》第9章了解更多详情。

3.2 JTAG调试器的购买途径

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3.3 JTAG调试器与FPGA开发板相连

蜂鸟E203的JTAG调试器与FPGA开发板的连接方法如图3-2中所示。

图3-2 蜂鸟E203专用的JTAG调试器与PC和开发板连接


3.4 使用JTAG调试器进行软件下载与调试


有关如何使用JTAG调试器进行软件下载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)

4 购买链接及图片欣赏

FPGA开发板的淘宝购买网页链接:

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其他

本文编辑by 新晋硅农胖夏


如您有关于此开发板的任何信息咨询,请致信summer@nucleisys.com

更多信息

感兴趣的读者可以通过下面二维码关注公众号“硅农亚历山大”,了解Verilog、IC设计、CPU、RISC-V和人工智能AI相关的更多设计技巧和经验分享,注意:由于干货太多,请自备茶水。

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