文章目录

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  • • 1. ARM核定制
    • 2. ARM核程序设计
    • 3. ARM程序烧写
    • 4. 工程下载

本文是高云FPGA系列教程的第5篇文章。

前面几篇笔记都是介绍的高云GW1NSR-4C FPGA部分的使用，本篇文章介绍片上ARM Cortex-M3硬核处理器的使用，演示如何定制一颗ARM处理器硬件，ARM核程序设计及下载。

关于在FPGA上实现硬核和软核处理器，感兴趣的朋友可以查看之前写的几篇文章：

• FPGA硬核和软核处理器的区别
  https://mp.weixin.qq.com/s/Y2cHZ6VYFngVPwO9upr69g

• 有哪些内嵌ARM硬核的FPGA？
  https://mp.weixin.qq.com/s/C7y9y5XCid3HxK6yKdYVwg

• 手把手教你在FPGA上定制一颗ARM处理器
  https://mp.weixin.qq.com/s/ZbNZCf-NW00vxuHSFvAoow

1. ARM核定制

高云GW1NSR-4C硬核处理器，基于ARM Cortex-M3 32Bit RISC内核，ARM3v7M 架构，最高80MHz工作频率，STM32单片机一般最高是72MHz，而Xilinx Microblaze处理器最高可跑到上百兆，而Microchip的ARM硬核也能跑到100多兆，GW1NSR-4C处理器的主频算是一般速度，不过足够应付一般的应用场景了。

首先打开一个基本的FPGA工程，比如LED点灯工程，打开IP核生成工具，选择IP核保存的路径，模块名称。

双击框图中的GPIO模块，使能GPIO

使能串口0

生成的例化模板：

Gowin_EMPU_Top your_instance_name(
    .sys_clk(sys_clk_i), //input sys_clk
    .gpioin(gpioin_i), //input [15:0] gpioin
    .gpioout(gpioout_o), //output [15:0] gpioout
    .gpioouten(gpioouten_o), //output [15:0] gpioouten
    .uart0_rxd(uart0_rxd_i), //input uart0_rxd
    .uart0_txd(uart0_txd_o), //output uart0_txd
    .reset_n(reset_n_i) //input reset_n
);

例化到顶层模块中：

/***************************************************************
 * Copyright(C), 2010-2022, WeChat:MCU149.
 * ModuleName : top_hdl.v 
 * Date       : 2022年9月27日
 * Time       : 20:19:39
 * Author     : WeChat:MCU149
 * Function   : gw1nsr-4c led driver demo
 * Version    : v1.0
 *      Version | Modify
 *      ----------------------------------
 *       v1.0    .....
 ***************************************************************/

module top_hdl(
    //Inputs
    input gclk,      // 27MHz
    input gresetn,    
    input key,
    input uart_rxd,

    //Outputs
    output uart_txd,
    output led
);

wire clk_60m;

wire arm_clk = clk_60m;
wire arm_resetn = gresetn;

wire arm_uart0_rxd = uart_rxd;
wire arm_uart0_txd;
wire [15:0] arm_gpio_in;
wire [15:0] arm_gpio_out;
wire [15:0] arm_gpio_outen;

assign uart_txd = arm_uart0_txd;
assign led = (arm_gpio_out[15:0] == 16'haaaa);
assign arm_gpio_in[15:0] = {16{key}};

Gowin_PLLVR pll_ut0(
    .clkout(clk_60m), //output clkout
    .clkin(gclk) //input clkin
);

Gowin_EMPU_Top arm_cortex_m3_core(
    //Inputs
    .sys_clk(arm_clk),
    .reset_n(arm_resetn),
    .uart0_rxd(arm_uart0_rxd), 
    .gpioin(arm_gpio_in[15:0]),

    //Outputs
    .uart0_txd(arm_uart0_txd),
    .gpioout(arm_gpio_out[15:0]),
    .gpioouten(arm_gpio_outen[15:0])
);

endmodule   //top_hdl end

模块的功能为，将按键状态连接到GPIO输入，GPIO输出连接到led，ARM核的主频为60MHz，来自PLL。

2. ARM核程序设计

GW1NSR-4C ARM核程序支持高云官方GMD环境，基于Eclipse开源框架，配合arm-gcc编译器来完成ARM核程序编写、编译、调试、下载等。还支持常用的单片机开发环境Keil-MDK，芯片型号选择通用的ARM-CM3处理器。

官方提供了非常不错的参考设计，包括FPGA工程，GMD工程，Keil工程，

下载地址：Gowin_EMPU_V1.0.zip

http://cdn.gowinsemi.com.cn/Gowin_EMPU_V1.0.zip

还有非常详细的IDE软件使用手册：IPUG928-1.1_Gowin_EMPU(GW1NS-4C)_IDE软件参考手册.pdf

http://cdn.gowinsemi.com.cn/IPUG928-1.1_Gowin_EMPU(GW1NS-4C)_IDE%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E5%8F%82%E8%80%83%E6%89%8B%E5%86%8C.pdf

官方的参考设计基于DK-START开发板，包括FPGA工程和ARM工程（Keil+GMD），涵盖了所有外设的实例，包括固件库，参考设计，AHB2，APB2，I2C，SPI，UART，TIMER，INTC，WDOG，RTC，FreeRTOS，UCOS_II等等

文末有本次示例的工程下载地址，配套TangNano 4K开发板。

首先修改ARM程序中的系统主频，位于system_gw1ns4c.c文件中，

/*----------------------------------------------------------------------------
  Define clocks
 *----------------------------------------------------------------------------*/
#define __XTAL            (120000000UL)    /* Oscillator frequency */

#define __SYSTEM_CLOCK    (__XTAL / 2)	   /* 60MHz */

和FPGA工程中给定的时钟频率保持一致，否则延时时间不准确，串口输出为乱码。

下面来介绍几个函数的实现。

首先是延时函数实现，基于系统SysTick定时器实现。

需要在gw1ns4c_it.c文件中将SysTick_Handler函数删除，或者添加弱定义关键字，以免和用户的中断函数冲突。

/**
  * @brief  This function handles SysTick Handler.
  * @param  none
  * @retval none
  */
__weak void SysTick_Handler(void)
{
}

delay.h文件内容

#include "gw1ns4c.h"

void delay_init(void);
void SysTick_Handler(void);
void delay_us(uint32_t nus);
void delay_ms(uint32_t nms);

delay.c文件内容

#include "drv_timer.h"

uint32_t fac_us=0;							//us延时倍乘数
uint32_t fac_ms=0;							//ms延时倍乘数,在ucos下,代表每个节拍的ms数

void delay_init(void)
{
	SystemInit();
	SystemCoreClockUpdate();        //可以省略
}

void SysTick_Handler(void)
{
	if(fac_us) fac_us--;
	if(fac_ms) fac_ms--;
}

void delay_us(uint32_t nus)
{
	SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000000);  //定时1us
	fac_us = nus;
	while(fac_us != 0);
}

void delay_ms(uint32_t nms)
{
	SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);     //定时1ms
	fac_ms = nms;
	while(fac_ms != 0);
}

printf重定向到串口。

Keil环境下：

#include "gw1ns4c.h"
#include <stdio.h>

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    UART_SendChar(UART0, (unsigned char) ch);
    while(UART0->STATE & UART_STATE_TXBF);//UART0
    
    return (ch);
}

int fgetc(FILE *f)
{
	while(!(UART0->STATE & UART_STATE_RXBF));//UART0
	
	return (int)UART_ReceiveChar(UART0);
}

需要同时勾选使用MicroLib，就可以使用printf函数了。

高云官方GMD环境：

#include "gw1ns4c.h"
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>

__attribute__ ((used))  int _write (int fd, char *ptr, int len)
{
  size_t i;

  for (i=0; i<len; i++)
  {
    UART_SendChar(UART0,ptr[i]); // call character output function
  }

  return len;
}

最后主函数设计：

#include "main.h"

int main(void)
{
	uint16_t rd = 0;
	uint16_t period = 100;

	delay_init();
	uart0_init(115200);

	printf("SystemCoreClock = %d\r\n", SystemCoreClock);
	printf("Hello GW1NSR-4C SoC(ARM Cortex-M3)\r\n");

//	GPIO_SetOutEnable(GPIO0, 0xffff); //0=in, 1=out

	while(1)
	{

		gpio_read(&rd);		//read gpio0

//		if(((rd >> 8) & 1) == 0)//key press
		if(rd == 0)//key press
		{
			printf("press: ");
			period = 100;
		}
		else if(rd == 0xffff) //key release
		{
			printf("release: ");
			period = 500;
		}
        printf("GW1NSR-4C ARM Cortex-M3 (Keil-MDK)\r\n");

		gpio_write(0xaaaa);
		delay_ms(period);

		gpio_write(0x0000);
		delay_ms(period);
	}
}

主函数的功能为，当按键未按下时，板载LED 500ms翻转一次，同时串口输出Release字符串，按键按下时，板载LED 100ms翻转一次，同时输出press字符串。

编程生成bin格式固件，GMD环境生成路径为：

Keil环境下，需要添加编译后执行fromelf命令，将axf文件转换为bin文件。

fromelf --bin -o "$L@L.bin" "#L"

配置如下图：

3. ARM程序烧写

ARM程序的烧写也比较简单，可以使用FPGA的编程工具，配置如下图所示：

fs文件选择对应的FPGA工程生成的比特流文件，bin文件为ARM核程序。

4. 工程下载

TangNano 4K配套工程下载

• gw1nsr_4c_mcu_demo.rar

本文是高云FPGA系列教程的第5篇文章。