Sviluppo di sistemi a microprocessore con softcore Microblaze. Elisabetta Primo Ricercatrice VIALAB

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1 Sviluppo di sistemi a microprocessore con softcore Microblaze Elisabetta Primo Ricercatrice VIALAB

2 Xilinx EDK EDK èun insieme di software integrati, documentazione, IP e licenze. CARATTERISTICHE

3 Xilinx ISE Design Suite Xilinx ISE permette di eseguire la sintesi e l analisi di progetti HDL. Xilinx ISE consente di sintetizzare progetti, effettuare l analisi dei tempi, esaminare i diagrammi RTL, stimolare con segnali diversi il progetto e configurare il target device. HIERARCHY PANE PROCESS PANE DESIGN SUMMARY /REPORT VIEWER / CODE MESSAGE WINDOW: CONSOLE/ERRORS/WARNING/FIND IN FILES RESULTS

4 ISE Simulator (ISim) Xilinx ISim è un simulatore HDL(Hardware Description Language) che consente di eseguire simulazioni comportamentali e di timing per progetti in linguaggi VHDL, e Verilog. INSTANCES AND PROCESS PANEL OBJECT PANEL WAVE WINDOW CONSOLE/COMPILATION LOG/BREAKPOITS/FIND IN FILES RESULTS/SEARCH RESULTS

5 Xilinx Platform Studio XPS permette al progettista hardware di configurare i sistemi embedded basati su processori (controllore di memoria, periferiche di I/O, processori, etc.) XPS converte le specifiche della piattaforma in descrizioni RTL sintetizzabili(verilog o VHDL) e scrive un set di script per automatizzare l implementazione del sistema embedded (da RTL al bitstream). TOOL SUITE Xilinx Microprocessor Project (XMP) file Microprocessor Hardware Specification (MHS) file Bus Functional Model (BFM) Simulation ChipScope Pro PROJECT NAVIGATOR AREA CONNECTIVITY PANEL SYSTEM ASSEMBLY VIEW FILTERS PANE CONSOLE/ WARNINGS/ERRORS

6 Xilinx Software Development Kit SDK fornisce un ambiente per la creazione di piattaforme software e applicazioni mirate per processori embedded Xilinx SDK lavora con il design hardware creato tramite i tool di sviluppo forniti da XPS SDK è basato sullo standard open source Eclipse CARATTERISTICHE Consente di scrivere, compilare, fare il debug e il profiling delle applicazioni per sistemi embedded; Contiene un instruction set simulator (ISS) che consente di testare l applicazione software in simulazione o utilizzando una FPGA board sulla quale dare il download del sistema e eseguirlo. TOOL SUITE CONTEXT SENSITIVE EDITOR CODE OUTLINE VIEW Project workspace Hardware platform definition (XMD) Board Support Package (BSP) Software application Software debugging PROJECT OUTLINE VIEW PROBLEMS, CONSOLE & PROPERTIES VIEWS

7 Library Generator Libgen è un tool invocato per creare la piattaforma software. SOFTWARE SERVICES CARATTERISTICHE Creazione automatica e definizione di : MICROPROCESSOR HARDWARE AND SOFTWARE SPECIFICATION BOARD SUPPORT PACKAGE Board support package Driver per le periferiche Librerie software Interrupt hardware Eccezioni XILINX DRIVERS & LIBRARY SOURCE LibGen LIBRARY ARCHIVE SOFTWARE SERVICES

8 MicroBlaze soft processor MicroBlazeèun soft core progettato da Xilinx per i loro FPGA. Ѐ implementato interamente in FPGA con memorie general purpose (BRAM e memoria distribuita) e unità logiche. CARATTERISTICHE 32 bit fixed point soft processor RISC core Configurazione Dimensione della cache Periferiche embedded Memory Management Unit (MMU) Interfaccia al bus Floating Point Unit (FPU) HW multiplier HW divider 32 x 32 bit general purpose register, big endian

9 MicroBlaze soft processor MicroBlaze ha un versatile sistema di interconnessioni per supportare una varietà di applicazioni embedded. Processor Local Bus (PLB) vs Axi Tradizionale bus di transazioni mappate tra sistema e memoria con capacità master/slave. Versioni più recenti di FPGA quali Spartan 6, Virtex 6,Serie 7 (Artix, Kintex, Virtex) supportano le specifiche AXI. LMB bus Bus dedicato utilizzato per accedere alla memoria locale(bram), in questo modo viene ridotto il carico sugli altri bus. Fast Simplex Link (FSL) Connessione dedicata FIFO style utilizzata dai coprocessori definiti dall utente. L interfaccia coprocessore può accelerare computazionalmente gli algoritmi di calcolo facendoli eseguire in parte e nella totalità a moduli hardware progettati dall utente.

10 Xilinx Spartan 6 LX9 MicroBoard CARATTERISTICHE Xilinx Spartan 6 FPGA: XC6SLX9 2CSG324 USB JTAG Circuit 10/100 Ethernet Micro USB UART port Pushbuttons/ LED s 4 bit DIP Switches Programmable clock chip: Texas Instruments CDCE913 3 outputs, upto 230MHz 64 MB LPDDR SDRAM(on back): Micron MT46H32M Mb Multi I/O SPI Flash: Micron N25Q128 Very compact 3 rail Power: 5x5 mm USB over voltage and ESD protection Hi Speed JTAG Access : Requires External Cable

11 System Design Flow HDL CREAZIONE PIATTAFORMA HARDWARE BSB EXPORT TO SDK CREATE BSP BITSTREAM NETLIST SVILUPPO DELL APPLICAZIONE EXPORT TO SDK.bit.bmm DOWNLOAD FPGA ISE XPS SDK BOARD

12 Esercitazione 1: Creazione di un Sistema Embedded AXI based OBIETTIVI 1. Definizione di un sistema embedded utilizzando il tool Project Navigator 2. Definizione della piattaforma hardware utilizzando il tool XPS 3. Creazione di una semplice applicazione su SDK per testare le periferiche IMPORTANTE 1) Creare la cartella Avnet in Xilinx/14.1/ISE_DS/EDK/board 2) copiare all'interno il contenuto dell'archivio Avnet.rar

13 Creazione di un sistema Embedded ISE STEP 1 NON INSERIRE SPAZI ALL INTERNO DEL PERCORSO STEP 2 Project Location Project Setting Specifiche del dispositivo EVALUATION DEVELOPMENT BOARD : Avnet Spartan6 LX9 MicroBoard FAMILY : Spartan6 PACKAGE : CSG324 SPEED : 2 Proprietà del progetto PREFERRED LANGUAGE : VHDL

14 Embedded Processor ISE STEP 3 New Sorce Wizard NON INSERIRE SPAZI ALL INTERNO DEL PERCORSO Al termine della creazione della nuova risorsa apparirà un messaggio che chiederà se si vuole creare un Base System usando il BSB Wizard > cliccate YES NEXT

15 Hardware Platform XPS BSB èun wizard per la definizione del hardware Base System Builder (BSB) Considerata una data board, il BSB : Consente agli utenti di aggiungere al design periferiche on chip Crea il Microprocessor Hardware Specification (MHS) Crea il Microprocessor Software Specifcation (MSS) Crea il pinout e i constrain (UCF) Crea degli esempi di applicazioni software Memory Test Peripheral Test

16 Hardware Platform XPS Board BOARD VENDOR: Avnet BOARD NAME: Avnet Spartan6 LX9 MicroBoard BOARD REVISION: B Select System Single MicroBlaze Processor System System configuration

17 Hardware Platform XPS CACHE CONFIGURATION INSTRUCTION CACHE SIZE :2 KB DATA CACHE SIZE : 2KB CONFIGURAZIONE PERIFERICA Periferiche disponibili sulla Spartan 6 LX9 MicroBoard Base System Builder Peripherals REMOVE: CDCE913_I2C core DIP_Switch_4Bits core Ethernet_Lite core ADD : Axi_timer core Selezionare nella checkbox Use Interrupt

18 System Assembly View XPS BUS INTERFACE Mostra le connessioni tra le periferiche e il processore attraverso un interfaccia AXI. PORTS Lista delle connessioni interne e esterne. ADDRESSES Mostra gli indirizzi mappati per il sistema. Chiudere XPS e ritornare in Project Navigator

19 Generazione bitstream ISE 1. Aprire Project Navigator 2. Inserire i constraint al progetto: Add Copy of Source Selezionare mb_system.ucf che si trova nel percorso : cartella_progetto\mb_system\data 3. Doppio click su Generate Top HDL Source 4. Doppio click su Export Hardware To SDK Bitstream STEP 1 STEP 2 Generate Top HDL Source In questo modo si crea un template HDL per il processore MicroBlaze Exporting Hardware Design to SDK

20 Compilazione di un applicazione di Test su SDK SDK Creazione di un Workspace C:\..\LX9_Tutorial\mb_system\SDK\SDK_ Export\workspace Workspace OBIETTIVO Definizione di una semplice applicazione Standalone che faccia il Test delle periferiche del sistema. Creazione di un nuovo progetto C File > New > Xilinx C Project

21 SDK Adding C Application Selezionare l applicazione PERIPHERAL TEST dal Project Template Creating a Board Support Package Cambiare il nome del progetto Board Support Package con Standalone_BSP HARDWARE PLATFORM C APPLICATION PERIPHERAL_TEST_O Contiene file C per testare ogni periferica BOARD SUPPORT PACKAGE

22 SDK Il sistema contiene sia una BRAM interna che una memoria esterna DDR Occorre selezionare dove il codice sarà fisicamente localizzato attraverso un linker script Linker Script Configuration Tasto destro su peripheral_test_0 e selezionare Generate Linker Script Selezionare: MCB3_LPDDR_AXI_BASEADDR

23 Programmazione FPGA SDK STEP 1 Start > Control Panel > System > System Properties (Hardware) > Device Manager CONNECT LX9 MICROBOARD COM Port Selection STEP 2 Cliccare sull icona Program FPGA Program FPGA IMPORTANTE Verificare che si è selezionato il corretto bitstream e il BMM file: Bitstream /EDK/EDK_Tutorial/mb_system_top.bit BMM /EDK/EDK_Tutorial/edkBmmFile_db.bmm

24 SDK STEP 3 Tasto destro su peripheral_test_0 > Run As > Run Configurations Run Configuration contiene le impostazioni per far eseguire l applicazione sulla board. Run Configuration Selezionare il Tab STDIO Connection: STDIO configuration PORT => selezionare la porta COM precedentemente selezionata. BAUD Rate => 9600

25 Esercitazione 2: Aggiungere un IP EDK al sistema embedded OBIETTIVI 1. Aggiungere una periferica in EDK 2. Connessione della nuova periferica al sistema definito nell esercitazione precedente 3. Modificare una periferica di un sistema esistente 4. Definire dei constraint per la nuova periferica 5. Aggiungere un applicazione software IMPORTANTE 1) Aprire Project Navigator 2) Doppio click su mb_system_i mb_system(mb_system.xmp)

26 1 Aggiungere una nuova periferica Hardware Selezionare dal catalogo IP General Purpose IO > axi_gpio XPS 3 IP Catalog: Select axi_gpio 2 GPIO Data Channel Width : 4 Channel 1 In Input Only :1 4 Verrà chiesto di connettere il nuovo IP al MicroBlaze > cliccare OK GPIO Peripheral Configuration

27 Aggiungere una nuova periferica Hardware XPS BUS INTERFACES Rinominare la periferica con DIP_Switches ADDRESSES Connecting IP to AXI Bus Cliccando sull icona Generate Address è possibile ri mappare gli indirizzi delle periferiche del sistema

28 BUS INTERFACES Connessioni tra le periferiche / connessioni delle porte esterne XPS 1. Espandere (IO_IF)gpio_0 2. Selezionare GPIO_IO_I (tasto destro su Connected port ) => No Connection 3. Selezionare Make External in modo da inserirla all interno della lista delle porte esterne:

29 Connessioni delle porte esterne XPS In External Port si trova la connessione esterna appena creata.

30 XPS Project > Clean All Generated Files CHIUDERE XPS

31 Poiché nei passi precedenti sono state introdotte delle nuove porte al MicroBlaze, occorre aggiungerle alla periferica hardware > Aprire Project Navigator dove è stato creato mb_system: Seguire i seguenti passi: 1) Elimiare il modulo vhdl : mb_system_top.vhd 2) Modificare il file ucf : Selezionare mb_system.ucf Espandere User Constrains nella finestra Processes ; Fare doppio click su Edit Constraints (Text) e scrivere le seguenti righe di codice: NET DIP_Switches_GPIO_IO_I_pin[0] LOC = "B3" IOSTANDARD = "LVCMOS33" PULLDOWN; NET DIP_Switches_GPIO_IO_I_pin[1] LOC = "A3" IOSTANDARD = "LVCMOS33" PULLDOWN; NET DIP_Switches_GPIO_IO_I_pin[2] LOC = "B4" IOSTANDARD = "LVCMOS33" PULLDOWN; NET DIP_Switches_GPIO_IO_I_pin[3] LOC = "A4" IOSTANDARD = "LVCMOS33" PULLDOWN; ISE

32 ISE Doppio click su Generate Top HDL Source 1 Doppio click su Export Hardware To SDK Bitstream 2 Generate Top HDL Source Exporting Hardware Design to SDK Scegliere lo stesso workspace dell esercitazione 1 Workspace

33 Applicazione C per la nuova periferica SDK Per testare la nuova periferica occorre creare una nuova applicazione software in SDK e utilizzare i driver per i device GPIO In system.xml è possibile leggere il base address della periferica axi_gpio : 0x AXI GPIO REGISTER Creazione di un applicazione C: 1.File > New > Xilinx C Project 2.Inserire il nome del progetto: Tutorial_Test 3.Selezionare Empty Application New C Project

34 Selezionare Target ExistingBoard SupportPackage

35 Applicazione C per la nuova periferica SDK Aggiungere al progetto C un main: Selezionare Tutorial_Test/src Tasto destro : New > Source File Source File : main.c

36 All interno del file main.c inserire il codice: SDK Come fatto nell esercitazione 1 generare il Linker script : Tutorial_Test > tasto destro > Generate Linker Script Selezionare: MCB3_LPDDR_AXI_BASEADDR

37 SDK Occorre scrivere il codice che accenda il LEDs quando i DIP Switches sono attivi Scrivere all interno del main.c le seguenti righe di codice: Includere header file per il GPIO Dichiarare una nuova variabile globale Aggiungere all interno della funzione main il codice per poter leggere e scrivere dal DIP Switches Codice per leggere dal DIP switches Codice per scrivere il DIP switches Salvare e compilare

38 Programmazione FPGA SDK CONNECT LX9 MICROBOARD Program FPGA Tasto destro Tutorial_Test Run As > Run Configurations New Lauch Configuration Run Configuration STDIO configuration Selezionare il Tab STDIO Connection: PORT => selezionare la porta COM precedentemente selezionata. BAUD Rate => 9600

39 Esercitazione 3: Aggiungere un custom IP a un Sistema Embedded OBIETTIVI 1. Creazione di un AXI IP custom usando il wizard 2. Aggiungere l IP al progetto 3. Scrivere l applicazione C per il nuovo IP

40 Creazione di un nuovo custom IP Selezionare in XPS Hardware > Create or Import Peripheral: XPS Peripheral Flow Repository or Project Name and Version AXI Interface Options

41 Creazione di un nuovo custom IP XPS IPIF: èun modulo di isolamento dell user interface con il bus. Inoltre fornisce servizi opzionali quali: registri software, FIFO, reset software, supporto per interrupt e un accesso al bus da master. Selezionare User logic software register IPIF (IP Interface) Per comunicare con la periferica HW utilizzeremo un registro a 32 bit ( anche se ci serviranno solo 12 bit) User S/W Register

42 Creazione di un nuovo custom IP XPS IPIC: Ip Interconnect usa un set di segnali tra la user logic e il bus AXI IP Interconnection (IPIC) Bus Functional Models (BFM) può essere generato per accelerare la verifica dell IP. Peripheral Simulation Support

43 La periferica custom appena creata èin: Project Local Pcores > USER > AXI_PWM

44 Osservazioni La periferica appena creata si trova all interno della directory mb_system > pcores OBIETTIVI Aggiungere il codice VHDL per realizzare le fuzionalità del PWM nella periferica custom creata nelle slide precedenti. CARATTERISTICHE PWM Singola porta di output il duty cycle dell impulso verrà controllato da un User logic software register definito durante la creazione della periferica ( utilizzeremo 12 bit dei 32 del registro definito) Il duty cycle verrà comparato al valore di un contatore a 12 bit in modo da controllare l impulso PWM In ISE Project Navigator aprite la cartella: File> Open mb_system\ pcores\axi_pwm_v1_00_a\hdl\vhdl > axi_pwm.vhd Èil top level della periferica instanziata Adding IP to AXI Interface NOTE IP legge i dati attraverso AXI interface PWM output è utilizzato per pilotare i LED sulla board Aggiungere una porta alla periferica custom che rappresenta l output PWM Mappare la porta aggiunta all interno del modulo user_logic

45 ISE axi_pwm.vhd Aggiungere alla dichiarazione delle porte esterne nel file axi_pwm.vhd Aggiungere la porta all istanza del component user_logic Chiudere il file axi_pwm.vhdl e salvare

46 User_logic.vhdl All interno del file user_logic.vhdl l utente inserisce il codice custom. Il codice per accedere ai registri a 32 bit è creato automaticamente dal wizard. Aggiungere la porta alla definizione del component user_logic Aggiungere i segnali: ISE Aggiungere dopo il begin il contatore La PWM legge un valore duty cycle dai registri AXI Interfeace, in particolare sono utilizzati 12 bit dal registro software slv_reg0. axi_pwm_v1_00_a\data \axi_pwmv2_1_0.mpd Aggiungere le porte da mappare all interno del file axi_pwmv2_1_1.mpd

47 Aggiungere la periferica custom al Sistema XPS Occorre fare una scansione degli user IP in modo da aggiornare il sistema delle modifiche fatte alla periferica custom istanziata : In XPS: Project > Rescan User Repositories Dopo la scansione la periferica creata è disponibile: Project Local Pcores/USER Adding IP to Design Selezionare AXI_PWM e trascinarla all interno della System Assembly View Cliccare OK per collegare l IP al MicroBlaze

48 Alla periferica èstato associato uno spazio di indirizzi che èmostrato sulla tabella degli indirizzi: XPS IP Addresses CANCELLARE L INSTANZIA DELLA PERIFERICA GPIO PER I LEDs System Assembly > Bus Interfaces view Tasto destro su LEDS_4Bit > selezionare Delete Instance Selezionare Delete instance but do not remove the nets Removing IP

49 XPS Espandendo la periferica axi_pwm_0 dalla lista vengono mostrate le connessioni disponibili Ports Tab Selezionare New Connection: la connessione si chiamerà axi_pwm_0_out Adding IP Ports

50 Per connettere la singola porta di output dalla periferica PWM ai 4 LED di output occorre usare la concatenazione: Selezionare dalle connessioni dell External Ports la porta LEDs_4Bits_TRI_O; Sostituire la corrente Net con axi_pwm_0_pwm & axi_pwm_0_pwm & axi_pwm_0_pwm & axi_pwm_0_pwm (Aprire il file mb_system.mhs) XPS In questo modo lo stesso segnale pilota i 4 LED con la stessa intensità. 1) CHIUDERE XPS 2) IN PROJECT NAVIGATOR : cliccare sul modulo mb_system_top e fare doppio click su Export Hardware Design to SDK with Bitstream

51 Applicazione C per la nuova periferica SDK Per testare la nuova periferica aggiungiamo il codice al progetto Tutorial_Test creato con Platform Studio SDK. CARATTERISTICHE Per controllare l impulso del duty cycle utilizziamo i DIP Switch. I DIP Switch saranno usati selezionando i 4 MSB del duty cycle. IMPORTANTE L applicazione non compilerà finché non si rimuove la periferica GPIO che era usata per i LED. Il duty cycle è controllato con un registro software localizzato all indirizzo BaseAddress + 0x00. Aprire SDK e selezionare il workspace utilizzato nelle precedenti esercitazioni

52 Aprire il file xparameters.h dove sono indicati i parametri dei driver di tutte le periferiche SDK BSP Included Hearder Files Indirizzi della periferica AXI_PWM_0:

53 Applicazione C per la nuova periferica SDK Occorre modificare il codice nel modulo main.c in modo da utilizzare la periferica custom piuttosto che la periferica GPIO Aggiungere un nuovo puntatore globale: Definire il BaseAddress per la periferica PWM trovato nel file xparameters.h Fare uno shift Aggiungere la definizione dopo il loop infinito while(1) { Il codice finale è:

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