MP32: микропроцессор MIPS для ПЛИС Altera

MP32 представляет собой ядро процессора 4KEc с архитектурой MIPS32 для программируемых логических схем (ПЛИС, FPGA) фирмы Altera.

Используя MP32, можно создавать законченные микропроцессорные системы-на-чипе, способные работать под операционной системой RetroBSD или даже Linux. Ниже будет дан пример проектирования простой системы для платы Altera Embedded Systems Development Kit, Cyclone III Edition.

Ядро MP32 входит в состав системы разработки Altera Quartus II Web Edition. Скачать последнюю версию Quartus II для Windows или Linux, а также документацию можно на этой странице. Для быстрого ознакомления рекомендуются бесплатные видеокурсы (на английском) Using the Quartus II Software: An Introduction и Introduction to Qsys.

Для создания простой системы, способной нести RetroBSD Unix, выполняйте следующие шаги.

(1) Скачайте и установите Quartus II Web Edition по этой ссылке. Запустите Quartus II.

(2) Создаём новый проект. Выполните команду меню File / New Project Wizard, нажмите Next. В первом поле введите имя каталога для проекта, например “/home/vak/mp32-example”. Во втором поле требуется название проекта, скажем “mp32”. В третьем поле нужно название для объекта верхнего уровня, обозначающего всю микросхему, например “top”. Нажмите Next. На вопрос о создании нового каталоге ответьте Yes.

Откроется окно добавления файлов к проекту - это мы сделаем позже, а пока нажмите Next. Появится окно выбора типа микросхемы FPGA. В поле Family выберите Cyclone III, в поле Package: FBGA, Pin count: 780, Speed grade: 7. В списке Available devices выделите EP3C120F780C7 (второй снизу). Нажмите Next, еще раз Next и Finish. Мы получили пустой проект.

(3) Мы будем строить систему их готовых компонентов, имеющихся в библиотеке Quartus II. Для этого служит подсистема Qsys. Вызовите её из меню Tools / Qsys.

По каким-то причинам изначально в библиотеке отображаются не все нужные нам компоненты. Чтобы они появились, выполните команду меню Tools / Options. Выберите категорию Internal и поставьте галочку Enable internal features. Нажмите Finish. Теперь кликните правой кнопкой мыши на Library в левой части окна (панель Component Library). В появившемся меню выберите Show Hidden Components. После этого список Library существенно увеличится, и в нём появятся нужные блоки.

(4) Добавляем в систему процессор. В списке Library (левая часть окна) найдите раздел Processors и дважды кликните на нём мышкой. В раскрывшемся списке выберите Altera MP32 Processor и нажмите кнопку +Add ниже. Появится окно выбора параметров процессора. Поставьте следующие параметры:

• В разделе Main:
  • Debug Port: да
  • Debug Slave: (поставим позже)
• В разделе Caches and Memory Interfaces:
  • Instruction Cache Size: 4 kbytes
  • Instruction Cache RAM Type: Auto
  • Data Cache Size: 4 kbytes
  • Instruction Cache RAM Type: Auto
• В разделе Advanced Features:
  • Endianness: Little
  • CPUNum Value in COP0 EBase Register: 0
  • Internal Timer IRQ Number: 7
  • Reset Slave: None
  • BHT Entries: 256 Entries
  • DSP Block Configuration: Latency-optimized
• В разделе MMU Settings:
  • MMU Type: FMT
• В разделе Internal Test:
  • Enable Altera Internal Test Mode: нет
  • Always Encrypt: да
  • Activate RTL Monitors: да
  • Activate RTL Test-end Checker: да
  • Activate RTL Trace: да
  • RTL Simulation Caches Cleared: да
  • Debug Simgen: нет

Нажмите Finish. В разделе System Contents появится компонент с именем mp32_0.

(5) Добавляем порт отладки. В библиотеке найдите раздел Processor Additions, дважды кликните и выберите EJTAG. Нажмите кнопку +Add. В окне параметров установите:

• Endianness: Little
• EJTAG Pins: Extra EJTAG Pins

Нажмите Finish, в системе появится компонент ejtag_0.

(6) Добавляем оперативную память. Как для RAM, так и для ROM будем использовать внутренние блоки памяти, имеющиеся на FPGA. Их вполне достаточно для работы RetroBSD. В библиотеке откройте раздел Memories and Memory Controllers, в нем раздел On-Chip, а в нём On-Chip Memory (RAM or ROM). Нажмите кнопку +Add. Для RAM установите параметры:

• В разделе Memory Type:
  • Type: RAM (Writable)
  • Dual-port access: нет
  • Block type: Auto
• В разделе Size:
  • Data width: 32
  • Total memory size: 131072 bytes
• В разделе Read latency:
  • Slave s1 Latency: 1
• В разделе Memory initialization:
  • Initialize memory content: да
  • Enable non-default initialization file: да
  • User created initialization file: ram
  • Enable In-System Memory Content Editor feature: нет

Нажмите Finish, в системе появится компонент onchip_memory2_0.

(7) Аналогично добавляем ПЗУ (ROM). Нажмите кнопку +Add и установите параметры:

• В разделе Memory Type: ROM (Read-only)
  • Type: RAM (Writable)
  • Dual-port access: нет
  • Block type: Auto
• В разделе Size:
  • Data width: 32
  • Total memory size: 262144 bytes
• В разделе Read latency:
  • Slave s1 Latency: 1
• В разделе Memory initialization:
  • Initialize memory content: да
  • Enable non-default initialization file: да
  • User created initialization file: rom
  • Enable In-System Memory Content Editor feature: нет

(8) Добавляем сигналы ввода-вывода общего назначения. С их помощью можно будет мигать светодиодами или опрашивать кнопки. В библиотеке откройте раздел Peripherals, в нем раздел Microcontroller Peripherals, а в нём PIO (Parallel I/O). Нажмите кнопку +Add и установите параметры:

• В разделе Basic Settings:
  • Width: 8
  • Direction: Bidir
  • Output Port Reset Value: 0
• В разделе Output Register:
  • Enable individual bit setting/clearing: да
• В разделе Edge capture register:
  • Synchronously capture: нет
• В разделе Interrupt:
  • Generate IRQ: нет
• В разделе Test bench wiring:
  • Hardwire PIO inputs in test bench: да
  • Drive inputs to: 0

Нажмите Finish, в системе появится компонент pio_0.

(9) Добавляем асинхронный порт UART. В библиотеке откройте раздел Interface Protocols, в нем раздел Serial, а в нём UART (RS-232 Serial Port). Нажмите кнопку +Add и установите параметры:

• В разделе Basic Settings:
  • Parity: None
  • Data bits: 8
  • Stop bits: 1
  • Synchronizer stages: 2
  • Include CTS/RTS: нет
  • Include end-of-packet: нет
• В разделе Baud rate:
  • Baud rate (bps): 115200
  • Baud error: 0
  • Fixed baud rate: да
• В разделе Simulated RXD-input character stream:
  • Contents: (пусто)
• В разделе Modelsim Options:
  • Streaming output window: да
  • Interactive stimulus window: да
• В разделе Simulated transmitter baud rate:
  • Option: Accelerated (Use divisor = 2)

Нажмите Finish, в системе появится компонент uart_0.

(10) Добавляем порт SPI. В том же разделе Interface Protocols / Serial выберите SPI (3 Wire Serial) и нажмите +Add. Установите параметры:

• В разделе Master/Slave:
  • Type: Master
  • Number of select signals: 1
  • SPI clock rate: 10000000 Hz
  • Specify delay: нет
• В разделе Data register:
  • Width: 8 bits
  • Shift direction: MSB first
• В разделе Timing:
  • Clock polarity: 0
  • Clock phase: 0
• В разделе Synchronizer Stages:
  • Insert synchronizers: нет
• В разделе Avalon interface:
  • Disable flow control: да

Нажмите Finish, в системе появится компонент spi_0.

(11) Используя мышку, подключите шины, сигналы и прерывания, как показано на рисунке (кликните чтобы увеличить). Имена компонентов можно при желании изменить, нажимая на каждый правой кнопкой мыши и выбирая Rename.

(12) Переключитесь на вкладку Address Map и введите следующие значения адресов:

(13) Сохраните файл конфигурации получившейся системы. Выполните команду меню File / Save, введите имя файла “mp32” и нажмите Save. Если Вам неохота проделывать все вышеуказанные операции, готовый файл можно скачать здесь: mp32.qsys. Но автор не отвечает за его пригодность для каких бы то ни было целей.

(14) Переключитесь на вкладку Generation и установите параметры:

• В разделе Simulation:
  • Create simulation model: Verilog
  • Create testbench Qsys system: Simple
  • Create testbench simulation model: Verilog
• В разделе Synthesis:
  • Create HDL design files for synthesis: да
  • Create block symbol file: нет
• В разделе Output Directory:
  • Path: /home/vak/mp32-example

Нажмите кнопку Generate. Будут созданы файлы с исходным кодом всех компонентов проекта.

(15) Завершите работу программы Qsys (меню File / Exit).

(16) Добавляем систему, созданную с помощью Qsys, в наш проект. Выполните команду меню Project / Add/Remove Files in Project. Щелкните на троеточие справа от поля File, и в открывшемся окне выберите файл mp32.qsys. Нажмите Open, окно закроется. Теперь нажмите Add справа от имени файла. Затем нажмите Ok.

(17) Проект готов к пробному синтезу. Чтобы запустить компиляцию, щелкните правой кнопкой мыши на Compile Design в панели Tasks и из открывшегося меню выберите Start.

Осталось назначить для внешних сигналов соответствие ножкам микросхемы на конкретной плате, и полученный в результате файл можно будет загружать в FPGA.