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--- fpga_arduino_8051 [2019/04/21 17:59]
gongyu 创建
+++ fpga_arduino_8051 [2019/10/04 15:49] (当前版本)
gongyu
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-======使用Arduino玩转FPGA======
+#### 使用Arduino玩转FPGA
-====鱼与熊掌，不可兼得？====
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+#### 鱼与熊掌，不可兼得？
 FPGA作为一种非常底层的硬件可编程逻辑芯片，实现数字逻辑电路可谓非常灵活，但是对于习惯了C语言和MCU编程的同学来说，从底层电路写到上层应用还是要费一番工夫的。\\
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 我们知道在MCU(Microcontroller Unit)中运行的是CPU硬核，比如Intel的8051核，ARM的Cortex-M核，Arduino板上用的AVR核等，各大半导体厂商在CPU Core的基础上集成了各种各样的外设模块，以适用于不同的应用需求。用户需要关心的就是这款MCU有哪些资源，寄存器如何配置。如果我想根据自己的应用需求来定制一款MCU，但是半导体厂商又不理我怎么办呢？办法总是有的，那就回到MCU出生之前的状态。通过将处理器内核移植到FPGA中，使用FPGA内部的逻辑资源和存储资源来构建一个软MCU，再通过内部总线挂载需要的外设电路就构成了一个定制化的MCU，我们称之为软核。 \\
-====软核中的野马战斗机——FP51-1T====
+#### 软核中的野马战斗机——FP51-1T
 目前，在FPGA中移植软核已经是一种常见的做法，但是大多数MCU软核都是FPGA厂商定制的，比如Altera的Nios II、Xilinx的MicroBlaze和Lattice的MICO32/MICO8，这些软核并不完全开源并且对用户做了诸多限制。国外有一家名叫PulseRain Technology的公司开发并开源了一款高性能的MCU软核[[https://www.pulserain.com/fp51|FP51-1T]]，该软核虽然基于8位的8051体系，但是它巧妙地实现了RISC架构，并且优化了指令集，大部分指令都可以单时钟周期实现，主频可以飙到100MHz以上，以二战时彪悍的野马战斗机P51来命名这款软核再合适不过了。 \\
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 现在FP51-1T已经成功移植到STEP-MAX10开发板并且提供了Arduino板卡支持包。 \\
 下面我们使用STEP FPGA开发板来体验一下这个神奇的操作吧！
-=====使用Arduino开发STEP-MAX10 FPGA=====
-====准备工作====
+#### 使用Arduino开发STEP-MAX10 FPGA
+##### 准备工作
   * 小脚丫FPGA开发板 STEP-MAX10 08系列
   * Intel Quantus Prime软件
   * Arduino IDE
-===准备1:STEP-MAX10 FPGA开发板 — FPGA型号Intel MAX10-08系列===
+###### 准备1:STEP-MAX10 FPGA开发板 — FPGA型号Intel MAX10-08系列
 STEP-MAX10是小脚丫FPGA系列中基于Intel/Altera公司的FPGA芯片MAX10M08的FPGA开发板，它同样也采用了DIP40封装，小巧、携带方便，板载资源也是十分丰富，包含:
   * 4路轻触按键
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 <WRAP centeralign> **小脚丫STEP-MAX10实物图片** </WRAP>
-===准备2:Intel Quantus Prime软件===
+###### 准备2:Intel Quantus Prime软件
 Quartus Prime是Altera被Intel收购之后推出的免费、强大的设计软件，包括了从设计输入到综合直至优化、验证以及仿真等各个阶段所需的一切功能。Quartus Prime Lite是大批量器件系列的理想设计工具，可以免费下载使用。
 Quartus Prime下载安装、使用☞:  [[Quartus Prime]]
-===准备3:Arduino IDE软件===
+###### 准备3:Arduino IDE软件
 Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)两大核心部分。Arduino IDE基于processing IDE开发，对于初学者来说极易掌握，同时有足够的灵活性。Arduino语言是基于wiring语言开发的，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础和编程基础，只需简单学习后，你就可以快速的进行开发。 \\
 Arduino IDE的下载安装
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-====操作步骤====
+#### 操作步骤
   - 获取PulseRain FP51-1T MCU软核
   - Arduino IDE安装板卡和软件支持包
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 <WRAP centeralign> **M10 BSP for Arduino IDE(Copy from PulseRain) ** </WRAP>
-====步骤1：获取PulseRain FP51-1T MCU软核====
+##### 步骤1：获取PulseRain FP51-1T MCU软核
-===1.Clone 软核源代码===
+###### 1.Clone 软核源代码
 FP51-1T的工程源代码已经开源在Github上，你可用如下的命令得到代码 \\
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 （**注意转发源码时请保留源码开头的版权声明**） \\
-#### 2.软核外设介绍
+###### 2.软核外设介绍
 FP51-1T是一个兼容8051体系的高性能8位MCU，通过巧妙地RISC架构实现，大部分指令都可以单周期实现，主频可以跑到96MHz。为方便调试，在软核内部集成了OCD(On Chip Debugger - 片上调试)模块，PC主机只要通过RS232接口就可以实现程序的下载、单步执行、设置断点等调试功能。另外，该软核通过Wishbone总线挂载了多个外设模块，如Timer、UART、SPI/I2C、PWM、Voice CODEC、microSD socket、 SRAM、onchip ADC等，用户可以裁剪和添加这些外设。 \\
 {{ ::fp51-1t结构图.png?800 |FP51-1T MCU结构图}}
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 如果不熟悉FPGA的开发可以先学习入门教程[[step-max10入门教程]]。 \\
-### 步骤2：Arduino IDE安装板卡支持包和软件库
+##### 步骤2：Arduino IDE安装板卡支持包和软件库
-#### 1.安装板卡支持包
+###### 1.安装板卡支持包
 Arduino IDE可以支持第三方板子的开发，但是需要安装第三方板卡的支持包。 \\
 打开Arduino IDE，打开 **文件**——**首选项**——**附加开发板管理器网址**，添加如下链接: \\
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 该BSP主要包括三部分：FP51 Core、[[http://sdcc.sourceforge.net/|SDCC]] Compiler和Target Downloade Tools
-#### 2.安装软件库
+###### 2.安装软件库
 Arduino之所以开发简单快速，是因为Arduino官方和众多的开源硬件爱好者贡献了大量的应用软件库，对于常见外设接口或模块的软件库都可以从网上下载到，而且能非常方便的嵌入到我们的程序中。\\
 PulseRain 为FT51-1T MCU提供了常用外设接口的软件库如I2C,microSD，CODEC，PWM，ESP8266等，而且有详细的文档说明 ☞[[https://www.pulserain.com/m10 |]]。 \\
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 用户在程序中如果需要用到某个库，只需要在**项目**——**加载库**，选择相应的库，即可将该库的头文件包含到应用程序中。
-### 步骤3：在Arduino IDE中开发应用程序
+##### 步骤3：在Arduino IDE中开发应用程序
 在Arduino IDE **工具**一栏，选择 **开发板**为**StepFPGA M10**， 搭建好软硬件环境，我们可以开始开发自己的应用程序了，这里我们编写一段应用程序实现以下功能：
   *在串口以115200 bps 输出 Hello World！然后输出PS2键盘的Scancode
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 {{::fp51arduino编译结果.png?500|}}
-### 步骤4：配置软核到STEP-MAX10 FPGA开发板
+##### 步骤4：配置软核到STEP-MAX10 FPGA开发板
-#### 1.串口一键下载
+###### 1.串口一键下载
 Arduino开发板之所以能够使用串口实现一键下载，是因为在主控制器内部有Bootloader，而在我们的软核内部没有使用软件bootloader，而是在软核中嵌入了OCD (onchip debugger)模块，相当于MCU内部的硬件BOOT模块，通过外接串口同样可以实现串口一键下载。只不过程序下载到FPGA内部的SRAM区，掉电数据会丢失，如果想程序掉电不丢失还是需要将Arduino IDE 生成的.hex文件通过Quatus prime烧录到MAX10内部的Flash区。 \\
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-#### 2.片上闪存的配置(Onchip Flash Memory)
+###### 2.片上闪存的配置(Onchip Flash Memory)
 Step FPGA M10采用Single Compressed Image设置, 在该设置下, 其片上闪存的地址如下图所示:
 {{ :max10闪存配置.png |}} \\
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 这样在生成FPGA Image时，ufm.hex 会被自动包含在最后生成的Image里面。
-#### 3.烧录程序到MAX10 FPGA内部Flash
+###### 3.烧录程序到MAX10 FPGA内部Flash
 用户可以用Intel Quartus Prime打开synth / Mustang_fast.qpf , 并点击"Start a new compilation", \\
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 使用Quartus Prime下载.pof文件到FPGA内部Flash中。 \\
-### 步骤5：定制自己的硬件外设
+##### 步骤5：定制自己的硬件外设
 如果用户需要增加新的外设的话, 具体步骤如下（以LCD为例） \\
 . 编写RTL模块, 并且simulate, 比如 \\
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 C:\Users\...\AppData\Local\Arduino15\packages\StepFPGA_M10\tools\M10_compiler\...\SDCC\include\mcs51\8051.h \\
-====相关设计资源====
+#### 相关设计资源
-\\
+  * {{::step_fpga_m10_user_guide_cn.pdf|STEP FPGA FP51-1T MCU中文用户手册 }} \\
-Copy from PulseRain Technology \\
+  * {{::datasheet_fp8051_1t.pdf|FP51-1T Datasheet}} \\
-{{::step_fpga_m10_user_guide_cn.pdf|STEP FPGA FP51-1T MCU中文用户手册 }} \\
+  * {{::pulserain_8_bit_mcu_trm.pdf|FP51-1T Technical Reference Manual}} \\
-{{::datasheet_fp8051_1t.pdf|FP51-1T Datasheet}} \\
+  * [[https://github.com/PulseRain/Mustang/tree/step_fpga|Repository for FPGA]] \\
-{{::pulserain_8_bit_mcu_trm.pdf|FP51-1T Technical Reference Manual}} \\
+  * [[https://github.com/PulseRain/Arduino_M10_IDE/tree/step_fpga|Repository for Arduino IDE package]] \\
-[[https://github.com/PulseRain/Mustang/tree/step_fpga|Repository for FPGA]] \\
+  * [[https://github.com/PulseRain/M10_high_speed_config_rtl|TRM for M10 High Speed Configuration]] \\
-[[https://github.com/PulseRain/Arduino_M10_IDE/tree/step_fpga|Repository for Arduino IDE package]] \\
+  * [[https://github.com/PulseRain|Repository for Peripherals]] \\
-[[https://github.com/PulseRain/M10_high_speed_config_rtl|TRM for M10 High Speed Configuration]] \\
-[[https://github.com/PulseRain|Repository for Peripherals]] \\