# 使用Arduino IDE开发RISC-V处理器

本次移植的RISC-V软核是由Changyi Gu主持设计的 PulseRain Reindeer 处理器内核，该软核在2018年由RISC-V 基金会官方举办的全球 Soft CPU 设计大赛中脱颖而出，荣获季军 ([[https://riscv.org/2018/10/risc-v-contest/|RISC-V SoftCPU Contest]])。PulseRain Reindeer是一个Von Neumann架构的软CPU，支持RISC-V RV32I [M]指令集，并具有2 x 2流水线架构，是综合平衡了速度和面积的结果，为所有FPGA平台上的软CPU提供了灵活的选择。Pulserain公司特别将该处理器为小脚丫实验平台做了升级改进，可以同时支持DRAM和FPGA片上BRAM，还对外部中断做了更好的支持。（参考源码[[https://github.com/PulseRain/Reindeer_Step|RISC-V Reindeer_Step Soft CPU]]）。

下面我们就在小脚丫CYC10 FPGA开发板上玩一把开源FRAM。
{{ :risc-v_软核处理器与step_cyc10_开发板.png?nolink&700 |}}


## 准备工作
  * 小脚丫FPGA开发板 STEP-CYC10
  * Intel Quantus Prime Lite18.1版本以上
  * Arduino IDE 18.4版本以上

**准备1：小脚丫FPGA开发板 STEP-CYC10**\\ 小脚丫STEP-CYC10 是一款基于Intel Cyclone10设计的FPGA开发板。板卡尺寸只有72mm×40mm。核心FPGA芯片选用了Intel公司Cyclone 10 LP系列的10CL016YU256C8G，相比于前一代的Cyclone IV系列的FPGA，它的性能更强，功耗更低，板上的FPGA芯片资源达16000逻辑单元（LEs），同时该板卡最高支持10CL025YU256芯片。另外，板卡上集成了USB Blaster编程器、SDRAM、FLASH等多种外设。板上预留了PCIE子卡插座，你可以方便的进行扩展。
{{ :step_cyc10_fpga开发板资源.png?nolink&600 |}}
STEP-CYC10板卡上集成的编程器能够完美支持开发工具Quartus Prime，你只需要一根MicroUSB连接线就能够完成FPGA的编程仿真和下载，使用更加方便。

**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的使用|Quartus Prime下载安装、使用]]

**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。[[https://www.arduino.cc/en/Main/Software|Arduino IDE的下载安装]]


## 操作步骤
  * 获取PulseRain Reindeer_Step MCU软核
  * 配置软核到STEP-CYC10 FPGA开发板
  * Arduino IDE安装板卡支持包
  * 在Arduino IDE中开发应用程序
  * 下载程序到开发板并运行

**步骤1：获取PulseRain Reindeer_Step MCU软核**

本次移植的是在PulseRain Reindeer处理器内核基础上，改进的Reindeer_Step软核，该软核根据STEP CYC10开发板的特点做了如下改进：

  * 增加了SDRAM控制器，以利用板上的8M动态内存作为代码和数据内存。
  * 增加了对板上硬件资源的支持，如目前增加了UART外设和GPIO外设，并持续更新中。
  * 开发了相关的Arduino Support Package，使得用户可以通过Arduino开发环境来直接对软核处理器编程。
{{ :pulserain_reindeer_step_mcu软核结构.png?nolink&700 |}}
Reindeer_Step的源代码已经开源在Github上，你可用如下的命令得到代码 ：

<code>
git clone https://github.com/PulseRain/Reindeer_Step.git
</code>
这个操作会在本地目录建立一个stepfpga 目录 
也可以直接点击链接[[https://github.com/PulseRain/Reindeer_Step.git|Reindeer_Step]]，在网页的Clone or download选项中Download ZIP文件。

<code>
cd Reindeer_Step
</code>
进入该目录

<code>
git submodule update --init --recursive 
</code>
注意init和recursive前面是两个 - ，更新所有的submodules\\ （注意该软件遵循GNU通用公共许可证协议）

**步骤2：配置软核到STEP-CYC10 FPGA开发板**

直接从GitHub上clone的项目已默认编译出sof文件，编译后资源占用情况如下图所示：
{{ :pulserain_reindeer_step_mcu软核编译报告.png?nolink&500 |}}
使用Micro USB数据线连接PC和开发板后，使用Quartus Prime软件可以直接下载到FPGA。但是sof文件是下载到FPGA的SRAM，掉电会丢失，在CYC10上板载了一块SPI Flash，我们可以将sof文件转换为jic文件，通过JTAG下载到Flash中，每次上电时FPGA会将配置数据读取到SRAM中运行。
{{ :使用quartus_prime文件转换工具将sof文件转换为jic文件.png?nolink&500 |}}
如果不熟悉Quartus prime的使用可以先学习这里的上手教程quartus_prime的使用。\\ 如果不熟悉FPGA的开发可以先学习我们的FPGA入门教程。

**步骤3：Arduino IDE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: **https://raw.githubusercontent.com/PulseRain/Arduino_RISCV_IDE/master/package_pulserain.com_index.json**，确定后，打开 工具——开发板——开发板管理器，在搜索框中输入REINDEER，安装PACKAGE。
{{ :安装板子支持包.png?nolink&500 |}}
下载安装完成后在板卡管理器中有STEP CYC10 Board这个选项。

**步骤4：在Arduino IDE中开发应用程序**

在Arduino IDE 工具一栏，选择开发板为STEP CYC10 Board，下面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[[reindeer_step_arduino_app1|流水灯和串口打印]]的功能：

<code c>

#define P0  (REG_GPIO[0])
#define P1  (REG_GPIO[1])
#define P2  (REG_GPIO[2])
#define P3  (REG_GPIO[3])

int kkk[1*1024]={999, 1000, 10001, 1898, 8888};

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
   Serial.print(" ===================="); 
   P3 = 0xAA;
   delay (1000);
 
}

int t = 0;

uint32_t i = 0;
uint8_t led_position = 0;

void loop() {
 
 Serial.print (i);
 i = (i + 1) %(1024);
 Serial.print(" ===================="); 
 kkk [i] = kkk [i] + i;
 Serial.print (kkk[i]);
 Serial.println (" ");
 delay (600);
 led_position = (led_position + 1) % 8;

 P3 = ~(1 << led_position);
}
</code>

点击Arduino IDE的验证✔选项开始编译，程序编译结果会在下面的信息栏中给出。 
这里建议用户在Preferences对话框 (菜单File / Preferences) 中打开“Show Verbose Output”选项，这样信息栏中会给出详细的编译结果。
{{ :程序编译报告.png?nolink&500 |}}

**步骤5：下载程序到开发板并运行**

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。
{{ :程序下载内部结构图.png?nolink&500 |}}
STEP CYC10板载了一片USB转串口芯片CP2102，通过Micro USB数据线连接到PC USB口，在设备管理器中会出现一个端口号，如COM4
在Arduino IDE中选择工具——端口，选择对应的端口号。在工具——编程器一栏选择编程器为USBasp。 点击上传按钮⇒，软件会对程序编译后下载到板子。 
{{ :程序上传报告.png?nolink&500 |}}

## 流水灯例子演示效果
演示效果如下：
打开串口监视器波特率为115200，可以看到不断打印累加数字，板子上的LED呈现流水灯模式。
{{ :演示效果.jpg?nolink&500 |}}
更多外设支持正在持续不断的开发中，接下来也会推出更多好玩的Demo。

## 综合例子演示
在源文件夹中，有一个综合demo，我们打开sketch文件夹，full_demo文件夹，打开full_demo.ino文件，这是一个Arduino工程，\\
在编译这个程序之前，我们需要安装两个库文件：Step_CYC10_I2C.h和Step_CYC10_Seven_Seg_Display.h。\\

打开 “项目”—“加载库”—“管理库”，搜索“step_cyc10”,安装I2C和数码管显示两个库。

{{::arduino加载step_cyc10库文件.png?600|}}

{{::arduino加载step_cyc10库文件2.png?600|}}
\\
安装完成之后，编译，下载。

{{:arduino-risc-v演示.mp4|}}

## 返回目录
  * [[fpga_risc-v|基于FPGA与RISC-V的嵌入式系统设计]]
      - [[reindeer_step_arduino|使用Arduino IDE开发RISC-V处理器]]
      - [[reindeer_step_make|使用make配置编译RISC-V应用程序]]