【第五届集创赛备赛】五、紫光FPGA Cortex-M1 SoC快速上手_pgl22g 软核

导读：本节将以一个简单的 LED Demo 为例，详细介绍基于PGL22G 的 Cortex-M1 软核开发流程。

一、原材料准备

工欲善其事必先利其器，在正式开跑软核之前，还需要准备一下软件和Demo工程，清单如下：

• Keil V5.15.0（建议与官方测试版本保持一致）
• ARM.CMSIS.5.6.0.pack（Cortex-M1的固件库）
• PDS 2020.3（建议与官方测试版本保持一致）
• pgr_FPGA_Cortex_M1_PGL22_324_eval.rar（钉钉群下载）
• pgr_FPGA_Cortex-M1_eval_v1_2.rar（钉钉群下载）

钉钉群下载的两个文件解压后，放置到没有中文和空格的路径下，然后将pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval文件夹放置到pgr_FPGA_Cortex-M1_eval文件夹下的rtl_design目录里，层级结构如下图所示：

注：下文若要对应到pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval所在目录，会直接写成：.\pgr_FPGA_Cortex-M1_eval\rtl_design\pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval的形式。

二、编译应用程序的keil工程，得到bin文件

2.1、准备led应用程序对应的keil工程

LED应用程序对应的keil工程，位于：.\pgr_FPGA_Cortex-M1_eval\software_design\module_design\Cortex-M1_led目录下。进入其子目录PROJECT，双击cortex_M1_led.uvprojx即可打开keil工程，如下图所示：

2.2、设置ROM和RAM的起始地址和大小

PGL22G Cortex-M1软核的ROM和RAM设置方式有两种：

• 在不使用 CACHE 的 Cortex M1 中， ITCM 作为 ROM（起始地址为 0x00000000）， DTCM 作为 RAM（起始地址为 0x20000000），大小根据用户实际需求进行设置。
• 在使用 CACHE 的 Cortex M1 中， ICACHE 作为 ROM（起始地址为 0x10000000）， DCACHE 作为 RAM（起始地址为 0x30000000），大小根据用户实际需求进行设置。

我们使用CACHE，故ROM和RAM地址设置为上述第二种，具体配置方式如下所示。

①、点击工具栏的魔术棒选项：

②、选择Target，设置ROM和RAM起始地址和大小：

• IROM1：起始地址：0x10000000、大小：0x1000000
• IRAM1：起始地址：0x30000000、大小：0x100000

注：

• ICACHE 指令起始地址必须配置为：0x1000 0000，DDR 颗粒映射范围 0x0000 0000-0x00FF FFFF（即最大：16MB - 0x100 0000）；
• DCACHE 数据起始地址必须配置为: 0x3000 0000，DDR 颗粒映射范围 0x0100 0000-0x0FFF FFFF（即最大：256MB - 0x10000 0000）。
• 不能超过这个映射范围，否者会出错。

2.3、配置输出 bin 文件

Cortex-M1 软件编程设计通过：

• Run #1 操作， 将 axf 文件转换为 bin 文件格式并输出；
• Run #2 操作， 使用 make_hex.exe 工具将 bin 文件转换为 4 个 ITCM 文件格式并输出。

关于ITCM要说的几点：

• 使用 CACHE 的 Cortex M1 中，需要引导应用程序（即通过 Bootloader 工程产生的 itcm0、itcm1、 itcm2、 itcm3 4个文件）才能将应用工程的指令（即由本节的LED工程编译生成的 BIN 文件） 装载到 DDR 颗粒中并实现地址跳转。
• 所以，上述的 Run #1 操作主要是为我们的LED应用工程产生bin文件，而Run #2操作是为我们的Bootloader 引导工程产生4个ITCM文件。为了让应用工程和引导工程可以复用同一个keil模板，就没有在应用工程中特别地去掉Run #2 操作，同理也没有在引导工程中特别地去掉Run #1 操作。（后面做仿真会用在应用工程中修改 Run #2）
• 本节是生成应用工程的bin文件，是不是下一节就是生成引导工程的4个ITCM文件？不！4个ITCM文件我们直接使用pgr_FPGA_Cortex_M1_PGL22_324_eval这个PDS工程自带的即可！（自带的4个ITCM文件位置：.\pgr_FPGA_Cortex-M1_eval\rtl_design\pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval\pnr）

继续回到正题，输出 bin 文件的具体配置方式如下所示。

①、点击工具栏的魔术棒选项：

②、选择User，设置Run #1和Run #2的值：

• Run #1：D:\Keil_v5\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe --bin -o cortex_M1_led.bin .\Objects\cortex_M1_led.axf（第一路径参数需要设置为自己的keil5安装路径）
• Run #2：make_hex.exe cortex_M1_led.bin

2.4、全编译工程，输出bin文件

①、点击工具栏的全编译按钮，如下图所示：

②、全编译完成后如下图所示：

③、在keil工程目录下的Projet中，即可看到输出的cortex_M1_led.bin文件，如下图所示：

将生成的cortex_M1_led.bin文件拷贝到pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval这个PDS工程的pnr\generate_bitstream目录下，如下图所示：

2.5、下载程序到FLASH中

①、双击.\pgr_FPGA_Cortex-M1_eval\rtl_design\pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval\pnr路径下的ARM_M1_SoC_Top.pds，打开官方提供的PDS工程。（第一次打开可能需要等待片刻~）

②、生成sbit文件

右击左侧Flow栏中的Generate Bitstream选项，选择Rerun All，而后会弹出确认窗口，点击Yes即可。

注：我的整个编译过程大概持续了8min 50s。

补充：使用带 CACHE 的 Cortex M1 SoC 工程时，一定要将 Bootloader 生成的 itcm0、 itcm1、 itcm2、 itcm3 4个文件放入该 PDS 工程的pnr目录下，与 RTL 工程一起编译生成sbit文件，否则将不能实现应用程序的引导与地址跳转。（BootLoader工程生成的itcm0~itcm34个文件，我们直接用官方提供在PDS工程自带的即可，我们不需要太关心这个，应该把重点放在应用工程的bin文件上！）

③、连接硬件，把 JTAG 下载器和开发板连接，然后开发板上电（下图为开发板的硬件连接图）。

④、单击界面中的“Configuration”按钮，作用是下载程序。

⑤、在弹出的界面中的单击“Boundary Scan”，然后在右侧空白区单击右键选择“Scan Device”；

⑥、在扫描到 JTAG 设备后会弹出如下对话框，并按如下加载.sbit 文件即可，然后可以看到左侧显示了要加载的文件。

⑦、将sbit文件转换为sfc文件

对于PGL22G这款FPGA而言：

• 直接下载到FPGA的程序文件格式为：.sbit，该种方式掉电会丢失！
• 间接下载到FLASH的程序文件格式为：.sfc，该种方式掉电不会丢失！

但是我们肯定不能直接下载sbit文件了，一方面是由于其程序掉电会丢失，另一方面是由于此时我们还没有将应用程序产生的bin文件加载进来！而sfc文件除了由sbit文件转换而成，还可以将sbit与bin文件拼接在一起转换成sfc文件，转换方式如下所示：

选择菜单"Operations“下”Convert File"进行文件转换。

然后弹出如下界面，依次设置：

• FLASH厂家、型号和读模式：黑金开发板用到的是 WINBOND 的 W25Q128Q这款FLASH，Flash Read Mode 选择 SPI X4, 24-bit address 。
• sbit 文件起始地址和路径：起始地址为：0，sbit文件在：.\pgr_FPGA_Cortex-M1_eval\rtl_design\pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval\pnr\generate_bitstream\m1_soc_top.sbit。
• bin文件使能、起始地址和路径：勾选Load User Data File选项，起始地址为：000C0000，bin文件在：.\pgr_FPGA_Cortex-M1_eval\rtl_design\pgr_ARM_Cortex_M1_PGL22_324_eval\pnr\generate_bitstream\cortex_M1_led.bin。

设置完成后如下图所示，点击 OK 即可转换；

转换成功弹出如图所示对话框，点击OK即可。

⑧、下载sfc文件到FLASH中

选中右侧的PANGO方块，右击会弹出下拉菜单并选择"Scan outer Flash"。

选择已生成的 sfc 文件，单击 Open；

可以看到界面中有了 flash 器件，选中“Outer Flash”方块并右击选择菜单中“Program...”

弹出正在编程的进度界面，flash 编程完成后进度界面自动消失。

至此，程序烧写完毕。

2.6、连接串口，查看打印信息

①、连接板载UART串口，如下图所示：

②、打开串口助手，选择合适的COM口，设置波特率115200，重启开发板，观察打印信息

注：如找不到串口，注意查看CP2102驱动是否安装成功！

串口输出内容，如下图所示：

注意观察底板的LED2，间隔闪烁…

若与上述实验现象一致，则证明实验成功~

三、实验原理分析

3.1、知识储备

首先，先来了解下 M1_soc_top.v 中的信号绑定关系：

• M1_soc_top.v 中的 gpio_in0 绑定了FPGA管脚P17，对应底板按键 KEY3
• M1_soc_top.v 中的 gpio_in1 绑定了FPGA管脚L12 对应底板按键 KEY4
• M1_soc_top.v 中的 rst_key 绑定了FPGA管脚V12 对应底板按键 KEY2
• M1_soc_top.v 中的 LED[3:0] 分别绑定FPGA管脚U10 V10 U11 V11，对应底板LED[3:0]

另外需要知道，Cortex-M1软核的GPIO模块提供了一组 16 个 I/O 的通用输入输出：

• 输入时对应M1_soc_top.v 中的verilog代码为：

.p0_in             ({{14{1'b0}}, gpio_in1, gpio_in0}),          // GPIO 0 inputs
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• 输出时对应M1_soc_top.v 中的verilog代码为：

.p0_out            (p0_out),         // GPIO 0 outputs
.p0_outen          (p0_outen),       // GPIO 0 output enables

...
assign LED[1:0]    = p0_outen[1:0]  & p0_out[1:0];
assign LED[2]      = ddrc_init_done;
assign LED[3]      = heart_beat_led;
...

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3.2、代码分析

打开LED应用工程中的main.c文件，我们就从主函数来一点点分析。

...
#define LED_PIN			GPIO_Pin_1
...
int main(void)
{
	SystemInit();
	GpioInit();
	while(1)
	{
		GPIO_SetBit(GPIO0,LED_PIN);
		Delay(DELAY_CNT);
		GPIO_ResetBit(GPIO0,LED_PIN);
		Delay(DELAY_CNT);
	}
}
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• SystemInit 对GPIO寄存器进行初始化（赋0）操作，同时设置系统时钟为125M。
• GpioInit 对第0组GPIO的第1个管脚进行配置，设置为输出模式，且为普通IO，不设置中断。
• GPIO_SetBit 第0组GPIO的第1个管脚输出1。
• GPIO_ResetBit 第0组GPIO的第1个管脚输出0。
• Delay 是通过for循环计数的方法进行延时，具体时间未知。

对第0组GPIO的第1个管脚输出控制，对应到 M1_soc_top.v 中的代码为：assign LED[1:0] = p0_outen[1:0] & p0_out[1:0];。即当 GPIO_0_1 输出 0 时，p0_outen 的第1位为1，p0_out 的第1位为0，相与操作后LED的第1位为0，对应的LED1会点亮（低电平点亮）。

怎么样，有没有茅塞顿开的感觉，这不是又回到了STM32的感觉了嘛！当你把LED_PIN这个宏定义改为GPIO_Pin_0时，你猜哪个灯会亮呢？