Serge.V Lumber Barn

This page is read only. You can view the source, but not change it. Ask your administrator if you think this is wrong.
====== MP32: микропроцессор MIPS для ПЛИС Altera ======

[[http://www.altera.com/devices/processor/mips/mp32/proc-mp32-getting-started.html | MP32]] представляет собой ядро процессора [[http://www.mips.com/products/cores/32-64-bit-cores/mips32-4ke/ | 4KEc]] с архитектурой MIPS32 для программируемых логических схем (ПЛИС, FPGA) фирмы Altera.  

{{mp32-block-chart.jpg}}

Используя MP32, можно создавать законченные микропроцессорные системы-на-чипе, способные работать под операционной системой [[http://retrobsd.org | RetroBSD]] или даже Linux.  Ниже будет дан пример проектирования простой системы для платы [[http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-emb-dev-cyc3.html | 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 [[https://www.altera.com/download/software/quartus-ii-we | можно на этой странице]].  Для быстрого ознакомления рекомендуются бесплатные видеокурсы (на английском) [[http://www.altera.com/education/training/courses/ODSW1100 | Using the Quartus II Software: An Introduction]] и [[http://www.altera.com/education/training/courses/OQSYS1000 | Introduction to Qsys]].

===== Пример системы-на-чипе для FPGA Cyclone III =====

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

(1) Скачайте и установите Quartus II Web Edition [[https://www.altera.com/download/software/quartus-ii-we | по этой ссылке]]. Запустите Quartus II.  

{{quartus-ii-empty.png}}

(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.

{{qsys-empty.png}}

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.

{{qsys-mp32.png?617x428}}

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

||                          || cpu.instruction_master || cpu.data_master || 
|| ejtag.avalon_slave_ejtag || 0x19000000             || 0x19000000      ||
|| ram.s1                   || 0x00000000             || 0x00000000      ||
|| rom.s1                   || 0x1fc00000             || 0x1fc00000      ||
|| pio.s1                   ||                        || 0x18000000      ||
|| uart.s1                  ||                        || 0x18000100      ||
|| spi.spi_control_port     ||                        || 0x18000200      ||

(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.