外设设计

外设部分设计¶

2021/8/11

此文档是我们小组外设的具体设计

1. 概述¶

关于外设部分设计，实际涉及到整个Soc的架构、不同模块的封装以及多个IP核的调用。其中主要使用的功能为Vivado的IP INTEGRATOR中的Block Design（简称bd）功能，以实现近乎nocode的开发模式。

2. 具体步骤¶

2.1 封装cpu¶

首先需要将CPU与两个Cache整体封装为对外为AXI4 接口的一个IP核，

具体封装步骤见参考资料第一条视频相关内容（从第24min起为有用内容，53min起的gpioled模块写法可以跳过，直到1h07min之后是封装的具体操作，1h27min之后基本无重要内容）。

使用create block design，在tools中选择create and package new ip 选择需要封装的内容（packaging options，建议选择第三项，封装时注意，bd功能不支持将systemverilog文件封装，需要把cpu_top包装为verilog的.v文件），此时会打开新页面edit_ip，之后可以进行进一步封装（ILA封装可选）。在每次修改了IP核的源码之后需要更新Package IP中的更新选项。此时回到bd界面就可以右键add IP，之后可以愉快划线连接端口了[doge]😅。

需要给bd模块创建一个顶层文件，才可以进行后续相应的引脚绑定。右键.bd文件，选择Create HDL Wrapper，默认选择ok，之后创建约束文件（在Constraints/constrs目录下右键Add Sources，创建文件.xdc，如果不懂xdc语法，可以再PROJECT MANAGER 下的Language Template中预览XDC文件的一些约束写法，配置iopins），或者可以nocode贯彻到底，跑过综合之后open synthesized Design 点击I/O ports配置引脚约束连接其他模块（例如封装好的外设IP核或者AXI Interconnect模块等）。

2.2 重新设计Soc架构¶

//TODO : 在封装好cpu之后考虑暴露的端口以及是否使用JTAG便于调试来重新修改cpu，JTAG，AXI Interconnect，Mems以及外设之间的连接方式，重新设计架构。

2.3 定制外设¶

定制外设的重点任务在于对每个需要的外设配置一个controller以连接外设本身和整个Soc进行通信，在完成响应配置，封装为相应的IP核并添加，增加引脚配置之后，需要在block design界面的响应模块的连线处右键点击make external完成和外设真正的连接。

下面对于可以选配的外设进行介绍，建议根据难易程度进行选择性实现。

2.3.1 串口控制器¶

板载串口为RS-232接口，已经实现基本的串口通信功能，但可以通过AXI UART 16550 IP实现标准的NS16550 UART控制器，以支持较为完整的串口协议。实现括可变波特率、流量控制和读写缓冲区。

在软件使用串口前，需要首先对多个配置寄存器进行初始化，配置波特率、中断等不同的属性，方可正常与 PC 进行通信。

串口控制器有一个中断，指示收到了数据，清华设计中被直接连接到 CPU 的第一个硬件中断上。

2.3.2 USB控制器（难度较大）¶

板载USB接口为Microchip USB 3500，提供的是UTMI+ Level3.0接口，仅实现了物理层的收发逻辑。至于具体控制器的设计还要根据后续的实际功能进行设计。

2.3.3 以太网控制器¶

可以通过AXI Ethernet Lite IP实现该控制器。

2.3.4 Flash控制器¶

板载两块SPI NOR Flash芯片，其中一块为CFG Flash，固化连接至FPGA配置专用硬件逻辑，另一片为SPI Flash，是可插拔普通SPI I/O引脚，均可通过AXI Quad SPI IP进行控制。

对于CFG Flash，主要作用为存储bitstream，此外还有余量，可以用来存储U-Boot和Linux Kernal的ELF格式文件用于系统启动，具体方式可以参考启动POMN时的串口下载方式。为方便使用，通过 IP 的 XIP（Execute In Place）特性，我们可以将它映射为一块只读的内存空间，从而加载U-Boot 也能加载 Linux 内核。

对于SPI Flash，可以实现为普通存储， XIP 的只读模式不能满足需求。我们将其暴露为一个标准的 SPI 控制器，由软件来进行相应的管理。需要能够实现对Flash的擦除、读取和写入等操作。同时为提高IO效率，需要实现中断。

2.3.5 LCD控制器，VGA控制器（完全无思路，建议不实现）¶

2.3.6 PS/2控制器¶

实验板载一个 PS/2 物理接口，可以用于连接较老的鼠标/键盘等设备。我们使用 Altera 提供的 University Program PS/2 IP 对其进行控制，在 Linux 中也有对应的驱动支持。由于其为 APB 总线，同样需要 Bridge 进行转换；它的中断信号被直接连接到 CPU 的 3 号中断引脚。

具体实现需要找到该IP核。或者参考https://blog.csdn.net/qimoDIY/article/details/99711354博文内容。

2.3.7 GPIO控制器¶

龙芯提供了confreg模块，已经较好地实现了对GPIO引脚的控制，可以直接使用，但需要修改一些参数。

2.4 地址分配及中断连接¶

处理地址映射可以通过vivado中window/address editor工具来实现，具体配置可参考下图。

中断处理具体参考清华NonTrivalMIPS报告3.1.3内容。

3.参考资料¶

https://www.bilibili.com/video/BV1u4411P7pL视频24min开始
清华大学NonTrivalMIPS资料及源代码
https://blog.csdn.net/qq_33231534/article/details/105364361系列博文