下载比特流到 FPGA

上一实验中, 我们通过仿真验证了 SoC 的功能, 接下来我们将系统实现在 FPGA 上, 进行上板调试.

注意事项

本实验的前置流程请参考2.2.1 硬件部分说明以及2.2.2 搭建 Keil 工程, 注意修改"/Task3/Count/rtl/Block_RAM.v"中 RAM 初始化文件的路径.

打开 TD 软件(推荐使用 5.6.2 版本), 点击 Project--New Project, 创建一个新的工程, 给工程命名为 "CortexM0_SoC", 工程建立在 "/Task3/Count/TD/" 文件夹下. 记得检查一下下方显示的工程路径是否合理, 注意不能出现中文字体. 选择 FPGA 芯片型号, 在 Device Family 栏处选择 EG4, 然后在下方列表中选择 EG4S20BG256.

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创建文件与型号选择
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创建文件与型号选择
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创建文件与型号选择

进入源文件添加界面, 因为我们的设计源文件都在 "/Task3/Count/rtl" 下, 所以这里右键点击 Hierarchy, 选择 ADD Sources 直接将 "/Task3/Count/rtl" 目录添加进来. 点击 OK 即可添加成功.

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添加源文件
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添加源文件

右键 constraint_1（active）, 选择 Add ADC File 进入约束文件添加界面, 我们已经在 "/Task3/Count/TD/" 中为你准备好了约束文件 "pin.adc", 将这个文件添加进来即可.

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添加约束文件
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添加约束文件

什么是约束文件?

简单来说, 约束文件是逻辑设计与物理芯片之间的"桥梁". 在 FPGA 设计中, 约束文件主要分为两大类:

  1. 物理约束 (Physical Constraints): 主要用于指定逻辑端口对应的物理引脚位置 (Pin Assignment) 及电气标准. 主要告诉软件"代码里的信号连到芯片的哪根管脚上". 在本实验使用的 TD 软件中, 这类约束保存在 .adc 文件中.
  2. 时序约束 (Timing Constraints): 用于设定时钟频率, 建立/保持时间等时序要求, 主要告诉软件"芯片需要跑多快", 指导布局布线以满足性能指标. 业界通用的格式通常为 .sdc 文件.

在本实验中, 我们主要关注物理约束 (.adc), 即将设计的外部端口连接到 FPGA 具体的物理引脚上.

本实验中的约束文件

打开 "/Task3/TD/pin.adc":

set_pin_assignment    { RSTn }    { LOCATION = E3; IOSTANDARD = LVCMOS25; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment    { SWCLK }    { LOCATION = K3; IOSTANDARD = LVCMOS25; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment    { SWDIO }    { LOCATION = K6; IOSTANDARD = LVCMOS25; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment    { clk }    { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS25; PULLTYPE = PULLUP; }

上述代码中, clk 管脚约束到 FPGA 开发板上的 50MHZ 晶振的引脚; RSTn 管脚约束到 FPGA 上的复位按钮.

完成 TD 工程的创建. 在进入 TD 主界面后, 可以在 Source 窗口的 Hierarchy 标签页中看到我们的设计文件, 仿真文件和约束文件. 若要对某个文件临时进行编辑, 以约束文件为例, 我们可以双击 "pin.adc", 该文件的内容会被显示到右侧的编辑窗口中.

Hierarchy

  • Hierarchy 标签页是对设计的层次化展示, 便于我们直观理解多个模块之间的调用关系. TD 会自动选择设计的顶层文件, 并标上30图标. 你也可以通过右键文件选择 Set as Top 将任意文件设为顶层文件. 注意, RTL 分析, 综合和实现的对象都是顶层文件.
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TD 工程主界面

然后点击上侧导航栏的 Run, 这时 TD 将会依次执行 RTL 分析 (RTL Analysis), 综合 (Synthesis), 实现 (Implementation) 和 生成比特流文件 (Generate Bitstream) 四个步骤. 最终生成的比特流文件用于 FPGA 的配置.

等待 TD 运行一段时间后, 可以看到弹出的提示窗口, 表明比特流文件生成成功, 关闭该窗口.

出错了？

初次综合生成可能会有提示： "ERROR:Cannot find license file .../Anlogic/TD5.6.2/license/Anlogic.lic" 这是因为 TD 软件没有找到 license 文件, 相当于软件没有激活, 把提供的 Anlogic.lic 放到它提示的文件夹(你的 TD 安装目录下的 license 文件夹里面即可), 之后再次综合生成应该就正常了. Anlogic.lic 位于 Task3 文件夹中.

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比特流生成成功提示窗口

点击上侧导航栏中 Tools 下的 Schematic Viewer--Read Design Schematic 选项, 可以看到综合和布局布线得到的原理图.

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进入 Schematic 界面
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进入 Schematic 界面

点击 Chip Viewer 标签, 可以看到设计对 FPGA 内部资源的占用情况.

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Device 界面

接下来进行板卡的连接. 使用两条数据线将 FPGA 板卡上的两个 Micro-USB 接口与 PC 上的两个 USB 接口连接起来.

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板卡连接

为什么用两个接口?

  • 标有 JTAG 的接口是 FPGA 的下载配置接口, 用于比特流文件或其他配置文件的下载.
  • 标有 DAP-Link 的接口是 CMSIS 调试接口, 用于 FPGA 中实现的 CortexM0 的调试. 该接口与板卡上的 CMSIS-DAP 调试器连接, 该调试器的另一端连接在 FPGA 的引脚上, 这些引脚通过约束文件与 CortexM0 的 SWDIO 和 SWCLK 这两个调试信号连接.

确保连线无误后, 双击左侧栏中的 Download, 打开下载比特流的 Download 窗口, 这里软件一般会默认指定刚生成的比特流文件路径. 但这里仍要格外注意, 因为当你在多个工程间来回穿梭时, TD 可能会突然抽风, 给你默认指定一个其他工程中的比特流文件, 如果你没有注意而将它下载了进去, 那么接下来的调试工作可能会让你心态爆炸. 如果 Download 窗口中没有比特流文件, 选择左侧导航栏中的 ADD 按钮, 选择你刚刚创建的 TD 工程文件夹里面的 *_RUNS 文件, 选择 phy_1 文件夹, 选择刚刚生成的 bit 文件.

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双击打开 Download 窗口
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Bit文件选择
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Bit文件选择
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每次下载前记得检查比特流文件路径是否有误

选择好比特流文件的路径之后, 点击 Program 开始下载比特流, 等待进度条加载完毕, 便可开始下一步的调试工作了.

没有识别到开发板?

  • 如果在 Bit 文件选择的时候, 发现 Download 窗口上方的下拉栏中是空的, 没有识别到 FPGA 开发板, 请参考JTAG驱动安装.

TD 的工程目录结构

为了更好地帮助你找到工程中的文件(如日志文件,比特流文件等), 这里有必要简单介绍一下 TD 默认的工程目录结构.

  • *_Runs: 存放综合实现的中间文件和结果文件
    • .logs:日志文件
    • syn_1: 与整个设计有关的综合 (Synthesis) 文件
    • phy_1: 与整个设计有关的实现 (Implementation) 文件, 包括比特流文件和 bin 文件等

思考

我们知道, 下载比特流文件是将硬件电路配置到 FPGA 中, 那么我们的软件程序是如何被下载到 FPGA 中的呢?

还记得我们使用 keil 生成的 "code.hex" 文件对 RAM 进行了初始化. 所以在生成比特流文件时, RAM 的初始数据, 即程序的指令代码也就成为了比特流文件的一部分, 被下载到了 FPGA 中.

JTAG驱动安装

初次下载比特流到 FPGA 上的时候, 有可能会发现没有找到 FPGA 开发板, 原因是没有安装驱动. 在 windows 的设备管理器 (win8 以上系统对着 WIN 徽标右键即可找到并打开) 的串行总线设备中, 你可能会发现有有一个设备是这样 (如果通用串行总线设备中没有就找找其它的列表里) ：

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未安装驱动的设备名称

这个时候, 你需要右键：更新驱动程序-浏览我的电脑以查找驱动程序.

选择 Anlogic TD 的安装目录下的 driver 文件夹".../Anlogic/TD5.6.2/driver/al-link", 勾选包括子文件夹, 选择下一步, 之后它会自动搜索并驱动.

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手动浏览驱动
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选择TD安装文件夹下的driver文件夹

安装完成后, 然后你会发现设备名称改变了:

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安装完驱动的设备名称

这个时候, 在 TD 里面重新打开 Download 窗口, 应该能找到设备了.

驱动并没有正确安装 ?

在很多情况下, 电脑装好驱动后设备上会有一个黄色叹号, 打开设备属性会有下面的情况(代码48或者代码52).

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报错现象

请你先卸载原有驱动(设备管理器对设备右键 - 卸载设备 - 勾选尝试删除此设备的驱动程序, 重新插拔设备完成驱动卸载), 尝试按照下面的方法逐一排查问题:

  1. 请在设备管理器中安装驱动的时候, 关闭杀毒/安全软件, 目前已有因为某想电脑管家的导致驱动安装不正常的案例, 如果你是联想/拯救者笔记本, 请务必注意这一点. 关掉杀毒软件后, 重新安装驱动试一试.
  2. 在安装驱动,手动选择文件夹的时候,选择到 al-link - win10 - x86/x64 这一级的文件夹(不知道是x86还是x64? 电脑内存大于4GB就一定是x64), 再重新安装驱动试一试. 如果是win7系统, 则选择win7.
  3. 对于代码52, 应该是需要关闭强制数字签名. 可以临时关闭或永久关闭(参考:该博客). 对于代码48, 此操作有效性未知, 请优先排查1和2的操作是否可行, 再尝试本操作.

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