蜂鳥FPGA開發板全知道篇2:快速上手介紹(下)

本系列主要就蜂鳥FPGA開發板及蜂鳥JTAG下載器進行講解說明，其中包括：

蜂鳥FPGA開發板全知道篇1：開源內核簡介

蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹

蜂鳥FPGA開發板全知道篇3:  開源SoC簡介

蜂鳥FPGA開發板全知道篇4:  移植RTOS

本篇《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹》將會分為：

《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹（上）》

《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹（中）》

《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹（下）》

此篇為《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹（下）》。

目錄

1  運行Verilog仿真測試

1.1      E203開源項目的代碼層次結構

1.2    E203開源項目的測試用例（Self-Check TestCase）

1.2.1    riscv-tests自測試用例

1.2.2   編譯ISA自測試用例

1.3      E203開源項目的測試平臺（TestBench）

1.4      在Verilog TestBench中運行測試用例

2  蜂鳥E203開源SoC

3  搭建FPGA原型平臺

3.1      FPGA開發板和項目介紹

3.2      生成mcs文件燒寫FPGA

3.3      JTAG調試器

3.4      FPGA原型平臺DIY總結

4    運行和調試軟體示例

4.1      HBird-E-SDK簡介

4.1.1    HBird-E-SDK代碼結構

4.2      使用HBird-E-SDK開發和運行示例程序

4.3      使用GDB和OpenOCD調試示例程序

5     運行更多示例程序和Benchmarks

6     移植和運行FreeRTOS

7     Windows IDE開發工具

4  運行和調試軟體示例

本章將介紹如何使用燒錄後的FPGA原型平臺運行真正的軟體示例。

4.1 HBird-E-SDK簡介

為了讓用戶能夠輕鬆的使用起蜂鳥E203內核開發軟體，E203開源項目也配套了一個軟體開發套件（Software Development Kit，SDK）。為了方便用戶理解，本文將此SDK稱之為「HBird-E-SDK」。

蜂鳥E203專門維護一個獨立的Github倉庫（https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk）作為管理和維護HBird-E-SDK，並且在中文書籍《RISC-V架構與嵌入式開發入門指南》的第11章中進行了深入淺出的系統講解。感興趣的用戶可以自行搜索此書。

HBird-E-SDK並不是一個軟體，它本質上是由一些Makefile、板級支持包（Board Support Package，BSP）、腳本和軟體示例組成的一套開發環境。HBird-E-SDK基於Linux平臺，使用標準的RISC-V GNU工具鏈對程序進行編譯，使用OpenOCD+GDB將程序下載到硬體平臺中並進行調試。HBird-E-SDK主要包含如下兩個方面的內容：

（1）板級支持包（Board Support Package，BSP）。

（2）若干軟體示例。

4.1.1   HBird-E-SDK代碼結構

HBird-E-SDK平臺（https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk）的代碼結構如下：

各個主要的目錄簡述如下。

software目錄主要用於存放軟體示例，包括基本的hello_world示例、demo_gpio示例、demo_iasm示例、dhrystone跑分程序、CoreMark跑分程序和FreeRTOS示例程序。每個示例均有單獨的文件夾，包含了各自的原始碼、Makefile和編譯選項（在Makefile中指定）等。

bsp/hbird-e200/drivers目錄主要用於存放驅動程序代碼，譬如PLIC模塊的底層驅動函數和代碼。

bsp/hbird-e200/include目錄主要用於存放包含SoC中外設模塊的寄存器地址等參數的頭文件。

bsp/hbird-e200/stubs目錄主要用於存放一些移植Newlib所需的底層樁函數的具體實現。

bsp/hbird-e200/env目錄主要用於存放一些基本的支持性文件，簡述如下：

board.h：定義了開發板上管腳或者按鍵相關的宏定義。

platform.h：定義了SoC平臺相關的宏定義。

common.mk：調用GCC進行編譯的Makefile腳本，也會指定編譯相關的選項。

encoding.h：存放編碼和常數的宏定義。

entry.S：異常和中斷入口函數。

init.c：系統上電初始化函數。

link_flash.lds：將程序存放在Flash中，上電後上載至ITCM中進行執行的連結腳本。

link_flashxip.lds：將程序存放在Flash中直接進行執行的連結腳本。

openocd_hbird.cfg：使用蜂鳥JTAG調試器的OpenOCD配置文件

在中文書籍《RISC-V架構與嵌入式開發入門指南》第11章中對HBird-E-SDK進行了深入淺出的系統講解。感興趣的用戶可以自行搜索此書。

4.2使用HBird-E-SDK開發和運行示例程序

E203開源項目提供一個典型的示例程序demo_gpio可運行於前文中介紹的FPGA開發板上（燒寫了蜂鳥E203開源SoC），使用HBird-E-SDK平臺按照如下步驟可以運行。

// 步驟一：準備好自己的電腦環境，可以在公司的伺服器環境中運行，如果是個人用戶，推薦如下配置：

          （1）使用VMware虛擬機在個人電腦上安裝虛擬的Linux作業系統。

          （2）由於Linux作業系統的版本眾多，推薦使用Ubuntu16.04版本的Linux作業系統有關如何安裝VMware以及Ubuntu作業系統本文不做介紹，有關Linux的基本使用本文也不做介紹，請用戶自行查閱資料學習。

  

// 步驟二：將HBird-E-SDK項目下載到本機Linux環境中，使用如下命令：

    

git clone https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk

          // 經過此步驟將項目克隆下來，本機上即可具有如前文所述完整的hbird-e-sdk目錄文件夾，假設該目錄為<your_sdk_dir>，後文將使用該縮寫指代。

    

// 步驟三：由於編譯軟體程序需要使用到GNU工具鏈，假設使用完整的riscv-tools來自己編譯GNU工具鏈則費時費力，因此本文檔推薦使用預先已經編譯好的GCC工具鏈。我們已經將工具鏈上傳至網盤，網盤具體地址記載於hbird-e-sdk項目（https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk）的prebuilt_tools目錄下的README中，用戶可以在網盤中的「RISC-VSoftware Tools/RISC-V_GCC_201801_Linux」目錄下載壓縮包gnu-mcu-eclipse-riscv-none-gcc-7.2.0-2-20180111-2230-centos64.tgz和gnu-mcu-eclipse-openocd-0.10.0-6-20180112-1448-centos64.tgz，然後按照如下步驟解壓使用（注意： 上述連結網盤上的工具鏈可能會不斷更新，用戶請注意自行判斷使用最新日期的版本，下列步驟僅為特定版本的示例）。

 

cp gnu-mcu-eclipse-riscv-none-gcc-7.2.0-2-20180111-2230-centos64.tgz~/

cp gnu-mcu-eclipse-openocd-0.10.0-6-20180112-1448-centos64.tgz~/

          //將兩個壓縮包均拷貝到用戶的根目錄下cd ~/tar -xzvf gnu-mcu-eclipse-riscv-none-gcc-7.2.0-2-20180111-2230-centos64.tgz

tar –xzvf gnu-mcu-eclipse-openocd-0.10.0-6-20180112-1448-centos64.tgz

     // 進入根目錄並解壓上述兩個壓縮包，解壓後可以看到一個生成的gnu-mcu-eclipse文件夾。

 

cd <your_sdk_dir>

          // 進入hbird-e-sdk目錄文件夾。

mkdir -p work/build/openocd/prefix

          // 在hbird-e-sdk目錄下創建上述這個prefix目錄。

cd work/build/openocd/prefix

          // 進入到prefix該目錄。

ln –s ~/gnu-mcu-eclipse/openocd/0.10.0-6-20180112-1448/binbin

          // 將用戶根目錄下解壓的OpenOCD目錄下的bin目錄作為軟連結連結到該prefix目錄下。

 

cd <your_sdk_dir>

          // 再次進入到hbird-e-sdk目錄文件夾。

mkdir -p work/build/riscv-gnu-toolchain/riscv32-unknown-elf/prefix/

          // 在hbird-e-sdk目錄下創建上述這個prefix目錄。

cd work/build/riscv-gnu-toolchain/riscv32-unknown-elf/prefix

          // 進入到prefix該目錄。

 

ln -s ~/gnu-mcu-eclipse/riscv-none-gcc/7.2.0-2-20180111-2230/binbin

          // 將用戶根目錄下解壓的GNU Toolchain目錄下的bin目錄作為軟連結連結到

該prefix目錄下。

 

注意：此步驟完成工具鏈的安裝之後，後續開發程序示例無需重複執行此步驟。

 

// 步驟四：按照第4章中所述方法，準備好蜂鳥E203專用FPGA開發板，並將bitstream文件或者mcs文件燒錄至FPGA中待命，且用JTAG調試器將FPGA開發板與主機PC連接，並確保JTAG調試器的USB接口被虛擬機Linux系統正確識別。 

 

// 步驟五：編譯demo_gpio示例程序，使用如下命令：

         

cd <your_sdk_dir>

          // 進入hbird-e-sdk目錄文件夾。

 

make dasm PROGRAM=demo_gpioNANO_PFLOAT=0

//注意：由於Demo_GPIO程序的printf函數不需要輸出浮點數，上述選項NANO_PFLOAT=0指明newlib-nano的printf函數無需支持浮點數，請參見《RISC-V架構與嵌入式開發快速入門》第11章了解相關信息。

     //注意：此處沒有指定Makefile中的DOWNLOAD選項，則默認採用「將程序從Flash上載至ITCM進行執行的方式」進行編譯，請參見《RISC-V架構與嵌入式開發快速入門》第11章了解相關信息。

 

// 步驟六：將編譯好的demo_gpio程序下載至FPGA原型開發板中，使用如下命令：

 

cd <your_sdk_dir>

          // 進入hbird-e-sdk目錄文件夾。

         

make upload  PROGRAM=demo_gpio

 

// 步驟七：在FPGA原型平臺上運行demo_gpio程序：

          // 由於demo_gpio示例程序將通過UART列印一個字符串到主機PC的顯示屏上。因此需要先將串口顯示終端準備好，打開另外一個Ubuntu的命令行終端，使用如下命令。

sudo screen /dev/ttyUSB1115200

          // 該命令將設備ttyUSB1設置為串口顯示的來源，波特率為115200。

          // 若該命令執行成功的話，Ubuntu的該命令行終端將被鎖定，用於顯示串口發送的字符。

          // 若該命令無法執行成功，請確保已按照第3.3節中所述方法將USB的權限設置正確。

          // 將主機PC的串口顯示終端準備好之後，則僅需按FPGA原型開發板上的RESET按鍵即可。

按FPGA開發板上的RESET按鍵，則處理器復位開始執行demo_gpio程序，並將Log字符列印至主機PC的串口顯示終端上，如圖4-1所示。然後用戶可以輸入任意字符（譬如字母y），程序繼續運行，開發板上將會以固定頻率進行閃燈。

 

圖4-1  運行Demo_GPIO示例後於主機串口終端上顯示信息

4.3 使用GDB和OpenOCD調試示例程序

GDB（GNU Project Debugger），是GNU工具鏈中的調試軟體。GDB是一款應用非常廣泛的調試工具，能夠用於調試C、C++、Ada等等各種語言編寫的程序，它提供如下功能：

GDB可以用於在主機PC的Linux系統中調試運行的程序，同時也能用於調試嵌入式硬體，在嵌入式硬體的環境中，由於資源有限，一般的嵌入式目標硬體上無法直接構建GDB的調試環境（譬如顯示屏和Linux系統等），這時可以通過GDB+GdbServer的方式進行遠程（remote）調試，通常而言GdbServer在目標硬體上運行，而GDB則在主機PC上運行。

為了能夠支持GDB對其進行調試，蜂鳥E203使用OpenOCD作為其GdbServer與GDB進行配合。OpenOCD（ Open On-Chip Debugger ）是一款開源的免費調試軟體，由社區共同維護，由於其開放開源的特點，眾多的公司和個人使用其作為調試軟體，支持大多數主流的MCU和硬體開發板。為了能夠完全支持GDB的功能，在使用GCC對原始碼進行編譯的時候，需要使用-g選項，例如：gcc -g -o hello hello.c 。該選項會將調試所需信息加入編譯所得的可執行程序中，因此該選項會增大可執行程序的大小，因此在正式發布的版本中通常不使用該選項。

GDB雖然可以使用一些前端工具實現圖形化界面，但是更常見的是使用命令行直接對其進行操作。常用的GDB命令介紹以及如何GDB和OpenOCD對蜂鳥E203內核進行調試的詳細步驟，請參見中文書籍《RISC-V架構與嵌入式開發快速入門》第11章了解詳細信息。

5  運行更多示例程序和Benchmarks

衡量處理器的一個重要指標便是功耗，另外一個重要指標便是性能。而對於處理器性能的評估，需要依賴跑分程序（Benchmarks）來完成。

在處理器領域的Benchmarks非常眾多，有某些個人開發的程序，也有某些標準組織，或者商業公司開發的Benchmarks，本文在此不加以一一枚舉。在嵌入式處理器領域最為知名和常見的Benchmarks為Dhrystone和CoreMark。

Dhrystone和CoreMark和更多其他的示例程序的詳細介紹，以及如何在HBird-E-SDK平臺運行的詳細步驟，請參見中文書籍《RISC-V架構與嵌入式開發快速入門》第12章了解詳細信息。

6  移植和運行FreeRTOS

FreeRTOS是著名的開源實時作業系統（RTOS），FreeRTOS完全免費，具有源碼公開、可移植、可裁剪、任務調度靈活等特點，可以方便地移植到各種MCU上運行。有關FreeRTOS的詳細介紹，以及如何在HBird-E-SDK平臺運行的詳細步驟，請參見《蜂鳥E203移植FreeRTOS》（請持續關注公眾號，後續即將發布）。

7  WindowsIDE開發工具

一款高效易用的集成開發環境（Integrated DevelopmentEnvironment，IDE）對於任何MCU都顯得非常重要，軟體開發人員需要藉助IDE進行實際的項目開發與調試。ARM架構的MCU目前佔據了很大的市場份額，ARM的商業IDE軟體Keil也非常深入人心，很多嵌入式軟體工程師均對其非常熟悉是商業IDE軟體（譬如Keil）存在著授權以及收費的問題，各大MCU廠商也會推出自己的免費IDE供用戶使用，譬如瑞薩的e2studio和NXP的LPCXpresso等，這些IDE均是基於開源的Eclipse框架，Eclipse幾乎成了開源免費MCU IDE的主流選擇。

Eclipse平臺採用開放式原始碼模式運作，並提供公共許可證（提供免費原始碼）以及全球發布權利。Eclipse本身只是一個框架平臺，除了Eclipse平臺的運行時內核之外，其所有功能均位於不同的插件中。開發人員既可通過Eclipse項目的不同插件來擴展平臺功能，也可利用其他開發人員提供的插件。一個插件可以插入另一個插件，從而實現最大程度的集成。

Eclipse IDE平臺具備以下幾方面的優勢：

Eclipse自2001年推出以來，已形成大規模社區，這為設計人員提供了許多資源，包括圖書、教程和網站等，以幫助他們利用Eclipse平臺與工具提高工作效率。Eclipse平臺和相關項目、插件等都能直接從eclipse.org網站下載獲得。

Eclipse的開放式原始碼平臺幫助開發人員持續充分發揮大規模資源的優勢。Eclipse在以下多個項目上不斷改進。

·    平臺項目——側重於Eclipse本身。

·    CDT項目——側重於C/C++語言開發工具。

·    PDE項目——側重於插件開發環境。

設計人員始終能獲得原始碼，總能修正工具的錯誤，它能幫助設計人員節省時間，自主控制開發工作。

Eclipse平臺採用Java語言編寫，可在Windows與Linux等多種開發工作站上使用。開放式原始碼工具支持多種語言、多種平臺以及多種廠商環境。

Eclipse採用開放式、可擴展架構，它能夠與ClearCase、SlickEdit、RationalRose以及其他統一建模語言（UML）套件等第三方擴展協同工作。此外，它還能與各種圖形用戶接口（GUI）編輯器協同工作，並支持各種插件。

   請參見《RISC-V架構與嵌入式開發快速入門》書籍第13章，其中詳細介紹了如何使用基於MCU Eclipse IDE的Windows開發調試環境對蜂鳥E203內核進行軟體開發和調試。

文章回顧

此篇為《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹(下）》。

回顧上篇：

《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹（上）》

《蜂鳥FPGA開發板全知道篇2：快速上手介紹（中）》

更多信息

本文編輯by 新晉矽農胖夏

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