Del PicoBlaze al MicroBlaze

Transcripción

1 Del PicoBlaze al MicroBlaze M Patricia Borensztejn Segundo Cuatrimestre 2013 Clase 1 Co-Diseño Hardware Software usando FPGA Museo Botero, Bogotá Colombia

2 DECODIFICACION y RUTEO Co Diseño con PicoBlaze Museo Botero, Bogotá Colombia BRAM Instrucción In_port Out_port 7-Segmentos PicoBlaze dirección port_id read_strobe write_strobe UART RS232 LEDS y SWITCHES

3 Co-Diseño con PicoBlaze PicoBlaze: Procesador de 8 bits Arquitectura Básica RISC Se programa en ensamblador No hay sistema operativo, se carga un programa en el BRAM y eso es lo que se ejecuta. No hay drivers para dispositivos. Todo lo que no hay, se puede hacer. Lo que quiero decir es que NO esta hecho. Podríamos implementar por ejemplo un microcontrolador, el PICO16, usando de base el PicoBlaze, podríamos basarnos en el PIC16.

4 PIC16 (Microchip) Microcontrolador

5 PIC16F887

6 PIC16 RISC architecture Only 35 instructions to learn All single-cycle instructions except branches Operating frequency 0-20 MHz Precision internal oscillator Factory calibrated Software selectable frequency range of 8MHz to 31KHz Power supply voltage V Consumption: 220uA (2.0V, 4MHz), 11uA (2.0 V, 32 KHz) 50nA (stand-by mode) Power-Saving Sleep Mode Brown-out Reset (BOR) with software control option 35 input/output pins High current source/sink for direct LED drive software and individually programmable pullup resistor Interrupt-on-Change pin 8K ROM memory in FLASH technology Chip can be reprogrammed up to times In-Circuit Serial Programming Option Chip can be programmed even embedded in the target device 256 bytes EEPROM memory Data can be written more than times 368 bytes RAM memory A/D converter: 14-channels 10-bit resolution 3 independent timers/counters Watch-dog timer Analogue comparator module with Two analogue comparators Fixed voltage reference (0.6V) Programmable on-chip voltage reference PWM output steering control Enhanced USART module Supports RS-485, RS-232 and LIN2.0 Auto-Baud Detect Master Synchronous Serial Port (MSSP) supports SPI and I2C mode

7 Para quien quiera hacerlo ook-pic-microcontrollers/ Libro completo del PIC16F887 de MikroElektronika

8 Co-Diseño con PicoBlaze

9 Co Diseño basado en PicoBlaze // ===================================================== // KCPSM and ROM instantiation // ===================================================== kcpsm3 proc_unit (.clk(clk),.reset(reset),.address(address),.instruction(instruction),.port_id(port_id),.write_strobe(write_strobe),.out_port(out_port),.read_strobe(read_strobe),.in_port(in_port),.interrupt(1'b0),.interrupt_ack()); programa rom_unit (.clk(clk),.address(address),.instruction(instruction));

10 Definición de Sistema Embebido An embedded system is nearly any computing system (other than a general-purpose computer) with the following characteristics: Single function Typically designed to perform a predefined function Tightly constrained Tuned for low cost Single-to-fewer component based Performs functions fast enough Consumes minimum power Reactive and real-time Must continually monitor the desired environment and react to changes Hardware and software coexistence

11 Sistema Embebido en FPGA Embedded design in an FPGA consists of the following: Develop processor system in FPGA MicroBlaze processor (soft core) Peripherals PLBv46 (XPS) AXI interconnect Reset, clocking, debug ports Use Operating System (OS) or Real Time Operating System (RTOS) (optional) Generate drivers and libraries Create the software application Software routines Interrupt service routines (optional)

12 Co Diseño Cualquier sistema electronico ( o casi cualquiera de sus partes) puede realizarse tanto en hardware (puertas lógicas, registros, FSM) como en software (instrucciones ejecutadas en un procesador) El mejor criterio para decidir que parte del sistema se ejecuta en hardware y que parte en software es cuan rápido queremos que cada parte se ejecute.

13 Co Diseño Nano o Pico segundos: ni hablar, va al hardware. Ejemplo, una suma, una multiplicación. Una lectura a memoria. Microsegundos: si una instrucción tarda en ejecutarse un ciclo de reloj de 1 Giga, eso es 1 nanosegundo, por lo tanto en un microsegundo se ejecutan.1000 instrucciones. Hay que ver que hacemos Milisegundos: es del orden de tiempo que necesitamos para encender un led por ejemplo. Si lo hacemos en hardware, tenemos que gastar lógica para implementar delays.

14 Co Diseño En el flujo de diseño tradicional de un sistema embebido, se deciden los componentes hardware, se arma el sistema hardware y luego se escribe el programa que corre en el microcontrolador o elemento de proceso elegido. Es muy interesante poder tener flexibilidad, tanto en el software como en el hardware, y además, poder intercambiar la funcionalidad entre ambos durante el proceso de diseño. Esta posibilidad la tenemos con los FPGA, que incorporan núcleos de procesador (hard o soft) mas herramientas de diseño que permiten integrar los dos flujos llegando incluso a la verificación conjunta del sistema.

15 Co Diseño The cooperative design of hardware and software components; The unification of currently separate hardware and software paths; Moving of functionality between hardware and software;

16 IP Intelectual Property Actualmente los diseños son tan grandes y complejos que es impracticable hacer cada porción de cero. ( from scratch ) La solución es reusar bloques funcionales, estos se denominan IP (Intelectual Property) y pueden ser: Propios (de anteriores diseños) Comprados a fabricantes de FPGA Comprados a terceros

17 IP s a) Bloques IP no encriptados : el fabricante sintetiza el código, lo simula y lo verifica, y te entrega el fuente RTL (descripción funcional ). Ese fuente se sintetiza con el resto del código. b) Bloques IP encriptados: el fabricante encripta el nivel RTL. No hay standard de encriptacion. Lo que compras para un fabricante no sirve para otro. c) Bloques IP a nivel de netlist, sin ruteo y sin emplazamiento. Las netlists son a nivel de CLB y estan también encriptadas. Mas optimizadas que a nivel de RTL. d) Bloques IP a nivel de netlist, ruteados y emplazados. Muy optimizados. Netlists encriptada. Posicion fija relativa al FPGA o no.

18 IP s IP s Core Generator: Se pueden parametrizar y elegir las funciones deseadas y desactivar otras (por ej. MicroBlaze sin unidad de coma flotante). Creo que todos los IP s de Xilinx son de este tipo. System Generator: Integran varios IP s. Por ejemplo el Base System Builder que usaremos para crear el sistema MicroBlaze MCS.

19 IP s IP Provider Create RTL for IP block FPGA Designer Create RTL for body of design (a) Incorporate IP block(s) Synthesis Synthesis Unplaced-andunrouted netlist Place-and-Route (b) (c) Unplaced-andunrouted netlist Incorporate IP block(s) Place-and-Route Placed-and-routed netlist Placed-and-routed netlist

20 Co Diseño con MicroBlaze MicroBlaze MSC (Micro Controller System) Es un sistema microcontrolador basado en un procesador de 32 bits Tiene memoria local de 4 a 64Kbytes El sistema MSC incluye dispositivos básicos de E/S: Una UART 4 timers fijos 4 timers programables Un controlador de interrupciones 4 ports de entrada de 32 bits 4 ports de salida de 32 bits El desarrollo de software se realiza con el SDK (Sofware Development Kit) de xilinx Se programa en C o C++ Admite Sistema Operativo Tiene soporte para debugging

21 MicroBlaze MCS (Micro Controller System)

22 Instanciación de un MicroBlaze // // micro_top.v // module micro_top ( RS232_Uart_1_sout, RS232_Uart_1_sin, RESET, GCLK ); output RS232_Uart_1_sout; input RS232_Uart_1_sin; input RESET; input GCLK; (* BOX_TYPE = "user_black_box" *) micro micro_i (.RS232_Uart_1_sout ( RS232_Uart_1_sout ),.RS232_Uart_1_sin ( RS232_Uart_1_sin ),.RESET ( RESET ),.GCLK ( GCLK ) ); endmodule

23 Instanciación de MicroBlaze Hay varias maneras de instanciar un MicroBlaze MCS : 1. Usando el ISE Proyect Navigator y agregando un IP core de tipo processor. 2. Usando el ISE Proyect Navigator y agregando un embedded processor que lo que hace es abrir el XPS (Xilinx Platform Studio) 3. Directamente abriendo el XPS y construyendo el sistema mediante el BSB (Base System Builder)

24 1. Agregando un IP core de tipo Processor

25 2. Agregando un Embedded Processor

26 3. Mediante el XPS

27 Co Diseño con MicroBlaze El MicroBlaze es un IP (Intellectual Property) de Xilinx. Está incluido en el ISE Design Suite. Es un soft core. El EDK (Embedded Development Kit) es un conjunto de herramientas y de IP s que permiten diseñar un sistema completo basado en MicroBlaze para su implementación en FPGA. El EDK pertenece al ISE Design Suite, que ademas tiene otras herramientas: ISE Proyect Navigator PlanAhead ChipScope.

28 EDK (Embedded Development Kit) Formado por : XPS: Xilinx Platform Studio, arma la plataforma de hardware SDK: Software Development Kit: desarrollo de aplicaciones en C/C++. Entorno basado en ECLIPSE. Primero se arma la plataforma hardware, luego la aplicación para ella.

29 Design Suites de Xilinx ISE Design Suite y Vivado Design Suite Vivado esta especializada en crear SoC (System on Chip), especialmente creada para el ultimo producto de XILINX: Zynq-7000 que contiene un dual core ARM Cortex A9, mas Lógica Programable. Vivado cuesta 3000 dólares por nodo. Vivado tiene una herramienta de síntesis automática de C, C++ o System C a RTL. ISE Design Suite creo que ya no se vende por separado sino como parte de Vivado

30 Xilinx University Program Xilinx tiene un University Program (xup) que otorga licencias de ISE Design Suite a las cátedras de universidades. Actualmente tenemos licencias vigentes hasta abril Xilinx también tiene convenios con digilent para ofrecer placas de desarrollo a precios con descuentos para universidades.

31 Que vamos a hacer? Vamos a aprender a usar el EDK, siguiendo un tutorial de xilinx que nos va a enseñar a: Crear un sistema basado en MicroBlaze Crear nuevos IPs y agregarlos al sistema Crear nuestros propios dispositivos (modulos hdl) e incorporarlos al sistema Desarrollar la aplicación accediendo a los dispositivos del sistema Debuggear la aplicación corriendo en la placa Esto nos puede llevar unas seis clases. Quizas menos. Quizas mas. En xilinx el tutorial es un curso que se da en dos dias completos.

32 Pre-requisitos Familiarity with the Xilinx ISE tool set Basic C programming Basic understanding of processor-based system Basic HDL knowledge

33 Diseño Completo

34 Luego. Incorporar al sistema una BRAM, y hacer una aplicación que lea y escriba en la BRAM Incorporar al sistema un controlador de VGA y hacer una aplicación que escriba en la VGA el contenido de un BRAM, o bien cualquier otra cosa Incorporar al sistema un controlador de memoria externa. Hacer una aplicación que lea de memoria externa a BRAM y escriba de BRAM a memoria externa. Usar todas esas primitivas para armar alguna aplicación mas grande, un procesamiento de imágenes, un juego, etc.