基于ECP5的RISC-V移植

内容介绍

一、概述

对于ECP5的RISC-V移植采用了PulseRain Reindeer设计。PulseRain Reindeer是冯·诺依曼架构的软CPU。它支持RISC-V RV32I[M]指令集，并具有2 x 2流水线。它在速度和面积之间取得平衡，并为所有FPGA平台上的软CPU提供了灵活的选择。

亮点2x2流水线

PulseRain Reindeer的流水线由4个阶段组成：

指令提取（Instruction Fetch）
指令解码（Instruction Decode）
指令执行（Instruction Execution）
寄存器回写和内存访问（Reg and Mem access）

但是，与传统流水线不同，PulseRain Reindeer的流水线映射到 2 x 2 布局，如下Scheme-it绘制的框图所示：

FqLLrqhb5f8eZ-Tj1_RRVvyWMxQV

在 2 x 2 布局中，每个级每隔一个时钟周期处于活动状态。对于偶数周期，只有Instruction Fetch和Instruction Execution阶段处于活动状态，而对于奇数周期，只有Instruction Decode和Reg and Mem access阶段处于活动状态。这样，指令提取和内存访问总是发生在不同的时钟周期上，从而避免了单端口存储器造成的结构危险。

亮点保持和加载

引导软 CPU 往往令人头疼。传统方法或多或少类似于以下内容：

在软件中制作引导加载程序
将引导加载程序存储在 ROM 中
开机复位后，引导加载程序应该首先执行，为此它将其余代码/数据移动到RAM中。之后，PC将设置为新映像的_start地址。

上述方法的缺点是：

引导加载程序或多或少会侵入性，因为它占用内存空间。
ROM 的实现在所有 FPGA 平台上并不一致。对于某些 FPGA，如英特尔 Cyclone 或 Xilinx Artix，存储器初始数据可以存储在 FPGA 比特流中，但其他平台可能会选择使用外部闪存来存储 ROM 数据。引导加载程序本身可以就地执行，也可以加载一个在FPGA结构中实现的小型预加载器。当涉及到SoC + FPGA时，就像Microsemi Smartfusion2一样，硬核处理器也可能参与引导加载。换句话说，软CPU可能需要对应更改才能在各种平台上工作。

为了打破现状，PulseRain Reindeer采用了一种称为“保持和加载”的不同方法，该方法将基于硬件的OCD（片上调试器）带到了前台，如下图所示： Fm3kgCpmdkv6rTlTbHj25VvfOj3Q

软 CPU 和 OCD 可以共享同一个 UART 端口，如上图所示。RX 信号同时进入软 CPU 和 OCD，而 TX 信号必须通过多路复用器。而那个多路复用器是由强制控制的。

重置后，软CPU将进入保持状态，默认情况下可以访问UART TX端口。但是从主机PC发送的有效调试帧可以让OCD重新配置多路复用器并将UART TX切换到OCD端，可以访问内存，并且可以交换控制。在 CPU 保持状态期间，可以将新的软件映像加载到内存中，这会产生“保持和加载”的名称。

在内存加载新映像后，OCD可以设置软CPU的起始地址，并发送启动脉冲使软CPU处于活动状态。此时，OCD可以将UART TX切换回CPU端以进行CPU输出。

由于保持和加载从外部主机获取软件映像，因此它不需要任何 ROM。这使得它在所有FPGA平台上的可移植性更高。如果使用闪存来存储软件映像，则可以稍微修改OCD，以便从闪存而不是外部主机读取。

二、使用比特流对硬件进行编程

本次设计采用了Reindeer_MachXO3D的工程，将工程文件中MachXO3D的IP核、存储以及管脚等对应替换为ECP5。

Reindeer_MachXO3D的github工程文件：PulseRain/Reindeer_MachXO3D：Port Reindeer to Lattice MachXO3D 分线板 (github.com)

克隆 GitHub 存储库

$ git clone https://github.com/PulseRain/Reindeer_MachXO3D.git

$ cd Reindeer_MachXO3D

$ git submodule update --init --recursive

移植工程

1、通过Reindeer_MachXO3D\build\lattice\MachXO3D_Breakout目录下的MachXO3D.ldf打开Lattice Diamond工程。

Fn6DYVRj9YsNOFl_f6Tjj8tQL4Mu

2、打开project->Device。

Fja2d6xfc0PJFMtFlbiLugCGK49l

3、将配置改为如下图所示。

FsnpWnw679T0QXz4N63COK-1t8KK

4、根据ECP5 MINI板更改对应的IP核。例如将MachXO3D的PLL改为ECP5的PLL，并将时钟输入改为16MHZ。如下图所示：

FjYxafDoUPhaEj0VnZRJHLJcobf2

5、更改完对应的IP核后，编译工程。

Fq3EmjrtXOBM6AtWQOnx1V8YRhES

6、将所有报错和IP核更改完成后，出现completed successfully表示成功。

FvuLliVw7f-HhhemvcyWQKHi_EfL

7、打开Tools->Spreadsheet View。

FqZBfFDyzunkySoFkLHS2M_3atBJ

8、根据ECP5 MINI的原理图配置对应的引脚，如下图所示。

Frlbgcd4-QpmPJX5ixnJWKZ89MGn

9、然后依次编译工程剩下的部分，直到所有部分都打上绿色的√。

FpjjNX_UwuvltP9z2qQyWG4amDr-

10、打开Tools->Programmer。

Fo3s0Lo4oedkj6yJR_F2e1kd9f1J

11、配置programmer。

FvwXVnVD0_vnzLbPMPdtgr1JW7Ni

12、点击Program进行烧写。

FjapaQpJEw2mYV6TmYzm8VslxnNc

三、在软 CPU 上运行软件

如上图所示，提供了一个名为reindeer_config.py的python脚本，用于将软件（.elf文件）加载到软CPU中并执行。此时，此脚本仅在 Windows 平台上进行测试。在使用此脚本之前，应执行以下操作以在 Windows 上设置环境：

在Windows上安装RISC-V工具链

建议使用 the RISC-V Embedded GCC，它的 v7.2.0-1-20171109 release 可以从这里下载
安装后，将RISC-V工具链添加到系统的$PATH

如果使用默认安装路径，则很可能需要将以下路径添加到系统$PATH：
```
C：\Program Files\GNU MCU Eclipse\RISC-V Embedded GCC\7.2.0-1-20171109-1926\bin
```
在 Windows 上安装 python3

最新的 python for Windows 可以从 https://www.python.org/downloads/windows/ 下载
安装完成后，将python二进制和pip3二进制添加到系统的$PATH

例如，如果用户 XYZ 在默认路径中安装了 python 3.7.1，则可能会将以下两个文件夹添加到$PATH：
```
C:\Users\XYZ\AppData\Local\Programs\Python\Python37

C:\Users\XYZ\AppData\Local\Programs\Python\Python37\Scripts
```
打开命令提示符（您可能需要以管理员身份运行），然后安装 python 的 pyserial 包：
```
pip3 install pyserial
```
克隆PulseRain Reindeer软 CPU 的 GitHub 存储库
```
git clone https://github.com/PulseRain/Reindeer.git
```
cd Reindeer/scripts ，然后输入“python reindeer_config.py -h”寻求帮助。有效的命令行选项是

-r, --reset          : reset the CPU
-P, --port=          : the name of the COM port, such as COM7
-d, --baud=          : the baud rate, default to be 115200
-t, --toolchain=     : setup the toolchain. By default,  riscv-none-embed-  is used
-e, --elf=           : path and name to the elf image file
-d, --dump_addr      : start address for memory dumping
-l, --dump_length    : length of the memory dump
-c, --console_enable : switch to observe the CPU UART after image is loaded.

执行以下操作以在 Windows 上烧写程序：

将硬件板连接到主机 PC。
在使用 python 脚本之前，请确保使用正确的比特流对电路板进行编程。

如果电路板首次使用比特流编程，请拔下并重新插入 USB 电缆，以确保电路板已正确重新初始化。
硬件正确连接到主机 PC 后，打开设备管理器以确定硬件使用的 COM 端口。

假设硬件使用 COM9，假设用户想要运行 zephyr hello_world，可以使用以下命令：

python reindeer_config.py --port=COM9 --reset --elf=C：\GitHub\Reindeer\bitstream_and_binary\zephyr\hello_world.elf --console_enable --run

如果一切正确，屏幕输出应如下所示：

==============================================================================
# Copyright (c) 2018, PulseRain Technology LLC
# Reindeer Configuration Utility, Version 1.0
==============================================================================
baud_rate  =  115200
com_port   =  COM9
toolchain  =  riscv-none-embed-
==============================================================================
Reseting CPU ...
Loading  C:\GitHub\Reindeer\bitstream_and_binary\zephyr\hello_world.elf
__start 80000000

//================================================================
//== Section  vector
//================================================================
         addr = 0x80000000, length = 1044 (0x414)

//================================================================
//== Section  reset
//================================================================
        addr = 0x80004000, length = 4 (0x4)

//================================================================
//== Section  exceptions
//================================================================
         addr = 0x80004004, length = 620 (0x26c)

//================================================================
//== Section  text
//================================================================
         addr = 0x80004270, length = 7172 (0x1c04)

//================================================================
//== Section  devconfig
//================================================================
         addr = 0x80005e74, length = 36 (0x24)

//================================================================
//== Section  rodata
//================================================================
         addr = 0x80005e98, length = 1216 (0x4c0)

//================================================================
//== Section  datas
//================================================================
         addr = 0x80006358, length = 28 (0x1c)

//================================================================
//== Section  initlevel
//================================================================
         addr = 0x80006374, length = 36 (0x24)

===================> start the CPU, entry point = 0x80000000
***** Booting Zephyr OS zephyr-v1.13.0-2-gefde7b1e4a *****
Hello World! riscv32

四、Arduino IDE配置

1、安装 Arudino IDE。版本为1.8.9，对于Windows 10，也可以通过Microsoft商店安装。

2、启动 Arudino IDE。在“File / Preferences”中，将“ Additional Boards Manager URLs”设置为“https://raw.githubusercontent.com/PulseRain/Arduino_RISCV_IDE/master/package_pulserain.com_index.json”，如下所示：

FsNVIH48YGXt6fdHQSDRDJDLxLIH