蜂鸟FPGA开发板全知道篇2：快速上手介绍（下）
本帖最后由 皋陶 于 2020-10-16 23:51 编辑蜂鸟FPGA开发板全知道篇1：开源内核简介蜂鸟FPGA开发板全知道篇2：快速上手介绍（上）蜂鸟FPGA开发板全知道篇2：快速上手介绍（中）蜂鸟FPGA开发板全知道篇2：快速上手介绍（下）蜂鸟FPGA开发板全知道篇3:开源SoC简介（1）蜂鸟FPGA开发板全知道篇3:开源SoC简介（2）蜂鸟FPGA开发板全知道篇3:开源SoC简介（3）蜂鸟FPGA开发板全知道篇3:开源SoC简介（4）蜂鸟FPGA开发板全知道篇4:移植RTOS
目录1运行Verilog仿真测试1.1 E203开源项目的代码层次结构1.2 E203开源项目的测试用例（Self-Check TestCase）1.2.1 riscv-tests自测试用例1.2.2 编译ISA自测试用例1.3 E203开源项目的测试平台（TestBench）1.4 在Verilog TestBench中运行测试用例2蜂鸟E203开源SoC3搭建FPGA原型平台3.1 FPGA开发板和项目介绍3.2 生成mcs文件烧写FPGA3.3 JTAG调试器3.4 FPGA原型平台DIY总结4 运行和调试软件示例4.1 HBird-E-SDK简介4.1.1 HBird-E-SDK代码结构4.2 使用HBird-E-SDK开发和运行示例程序4.3 使用GDB和OpenOCD调试示例程序5 运行更多示例程序和Benchmarks6 移植和运行FreeRTOS7 Windows IDE开发工具
4运行和调试软件示例
本章将介绍如何使用烧录后的FPGA原型平台运行真正的软件示例。
4.1 HBird-E-SDK简介
为了让用户能够轻松的使用起蜂鸟E203内核开发软件，E203开源项目也配套了一个软件开发套件（Software Development Kit，SDK）。为了方便用户理解，本文将此SDK称之为“HBird-E-SDK”。
蜂鸟E203专门维护一个独立的Github仓库（https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk）作为管理和维护HBird-E-SDK，并且在中文书籍《RISC-V架构与嵌入式开发入门指南》的第11章中进行了深入浅出的系统讲解。感兴趣的用户可以自行搜索此书。
HBird-E-SDK并不是一个软件，它本质上是由一些Makefile、板级支持包（Board Support Package，BSP）、脚本和软件示例组成的一套开发环境。HBird-E-SDK基于Linux平台，使用标准的RISC-V GNU工具链对程序进行编译，使用OpenOCD+GDB将程序下载到硬件平台中并进行调试。HBird-E-SDK主要包含如下两个方面的内容：
（1）板级支持包（Board Support Package，BSP）。（2）若干软件示例。
4.1.1 HBird-E-SDK代码结构
HBird-E-SDK平台（https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk）的代码结构如下：
各个主要的目录简述如下。
[*]software目录主要用于存放软件示例，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。每个示例均有单独的文件夹，包含了各自的源代码、Makefile和编译选项（在Makefile中指定）等。
[*]bsp/hbird-e200/drivers目录主要用于存放驱动程序代码，譬如PLIC模块的底层驱动函数和代码。
[*]bsp/hbird-e200/include目录主要用于存放包含SoC中外设模块的寄存器地址等参数的头文件。
[*]bsp/hbird-e200/stubs目录主要用于存放一些移植Newlib所需的底层桩函数的具体实现。
[*]bsp/hbird-e200/env目录主要用于存放一些基本的支持性文件，简述如下：
board.h：定义了开发板上管脚或者按键相关的宏定义。platform.h：定义了SoC平台相关的宏定义。common.mk：调用GCC进行编译的Makefile脚本，也会指定编译相关的选项。encoding.h：存放编码和常数的宏定义。entry.S：异常和中断入口函数。init.c：系统上电初始化函数。link_flash.lds：将程序存放在Flash中，上电后上载至ITCM中进行执行的链接脚本。link_flashxip.lds：将程序存放在Flash中直接进行执行的链接脚本。openocd_hbird.cfg：使用蜂鸟JTAG调试器的OpenOCD配置文件
[*]start.S：系统上电启动的引导程序。
在中文书籍《RISC-V架构与嵌入式开发入门指南》第11章中对HBird-E-SDK进行了深入浅出的系统讲解。感兴趣的用户可以自行搜索此书。
4.2使用HBird-E-SDK开发和运行示例程序
E203开源项目提供一个典型的示例程序demo_gpio可运行于前文中介绍的FPGA开发板上（烧写了蜂鸟E203开源SoC），使用HBird-E-SDK平台按照如下步骤可以运行。
// 步骤一：准备好自己的电脑环境，可以在公司的服务器环境中运行，如果是个人用户，推荐如下配置：
（1）使用VMware虚拟机在个人电脑上安装虚拟的Linux操作系统。 （2）由于Linux操作系统的版本众多，推荐使用Ubuntu16.04版本的Linux操作系统有关如何安装VMware以及Ubuntu操作系统本文不做介绍，有关Linux的基本使用本文也不做介绍，请用户自行查阅资料学习。// 步骤二：将HBird-E-SDK项目下载到本机Linux环境中，使用如下命令：git clone https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk
// 经过此步骤将项目克隆下来，本机上即可具有如前文所述完整的hbird-e-sdk目录文件夹，假设该目录为<your_sdk_dir>，后文将使用该缩写指代。
// 步骤三：由于编译软件程序需要使用到GNU工具链，假设使用完整的riscv-tools来自己编译GNU工具链则费时费力，因此本文档推荐使用预先已经编译好的GCC工具链。我们已经将工具链上传至网盘，网盘具体地址记载于hbird-e-sdk项目（https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk）的prebuilt_tools目录下的README中，用户可以在网盘中的“RISC-VSoftware Tools/RISC-V_GCC_201801_Linux”目录下载压缩包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，然后按照如下步骤解压使用（注意： 上述链接网盘上的工具链可能会不断更新，用户请注意自行判断使用最新日期的版本，下列步骤仅为特定版本的示例）。 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~/
//将两个压缩包均拷贝到用户的根目录下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
// 进入根目录并解压上述两个压缩包，解压后可以看到一个生成的gnu-mcu-eclipse文件夹。
cd <your_sdk_dir>
// 进入hbird-e-sdk目录文件夹。
mkdir -p work/build/openocd/prefix
// 在hbird-e-sdk目录下创建上述这个prefix目录。
cd work/build/openocd/prefix
// 进入到prefix该目录。
ln –s ~/gnu-mcu-eclipse/openocd/0.10.0-6-20180112-1448/binbin
// 将用户根目录下解压的OpenOCD目录下的bin目录作为软链接链接到该prefix目录下。
cd <your_sdk_dir>
// 再次进入到hbird-e-sdk目录文件夹。
mkdir -p work/build/riscv-gnu-toolchain/riscv32-unknown-elf/prefix/
// 在hbird-e-sdk目录下创建上述这个prefix目录。
cd work/build/riscv-gnu-toolchain/riscv32-unknown-elf/prefix
// 进入到prefix该目录。
ln -s ~/gnu-mcu-eclipse/riscv-none-gcc/7.2.0-2-20180111-2230/binbin
// 将用户根目录下解压的GNU Toolchain目录下的bin目录作为软链接链接到
该prefix目录下。
注意：此步骤完成工具链的安装之后，后续开发程序示例无需重复执行此步骤。
// 步骤四：按照第4章中所述方法，准备好蜂鸟E203专用FPGA开发板，并将bitstream文件或者mcs文件烧录至FPGA中待命，且用JTAG调试器将FPGA开发板与主机PC连接，并确保JTAG调试器的USB接口被虚拟机Linux系统正确识别。
// 步骤五：编译demo_gpio示例程序，使用如下命令：cd <your_sdk_dir>
// 进入hbird-e-sdk目录文件夹。
make dasm PROGRAM=demo_gpioNANO_PFLOAT=0
//注意：由于Demo_GPIO程序的printf函数不需要输出浮点数，上述选项NANO_PFLOAT=0指明newlib-nano的printf函数无需支持浮点数，请参见《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》第11章了解相关信息。
//注意：此处没有指定Makefile中的DOWNLOAD选项，则默认采用“将程序从Flash上载至ITCM进行执行的方式”进行编译，请参见《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》第11章了解相关信息。
// 步骤六：将编译好的demo_gpio程序下载至FPGA原型开发板中，使用如下命令： cd <your_sdk_dir>
// 进入hbird-e-sdk目录文件夹。
make uploadPROGRAM=demo_gpio
// 步骤七：在FPGA原型平台上运行demo_gpio程序： // 由于demo_gpio示例程序将通过UART打印一个字符串到主机PC的显示屏上。因此需要先将串口显示终端准备好，打开另外一个Ubuntu的命令行终端，使用如下命令。
sudo screen /dev/ttyUSB1115200
// 该命令将设备ttyUSB1设置为串口显示的来源，波特率为115200。
// 若该命令执行成功的话，Ubuntu的该命令行终端将被锁定，用于显示串口发送的字符。
// 若该命令无法执行成功，请确保已按照第3.3节中所述方法将USB的权限设置正确。
// 将主机PC的串口显示终端准备好之后，则仅需按FPGA原型开发板上的RESET按键即可。
按FPGA开发板上的RESET按键，则处理器复位开始执行demo_gpio程序，并将Log字符打印至主机PC的串口显示终端上，如图4-1所示。然后用户可以输入任意字符（譬如字母y），程序继续运行，开发板上将会以固定频率进行闪灯。
图4-1运行Demo_GPIO示例后于主机串口终端上显示信息
4.3 使用GDB和OpenOCD调试示例程序
GDB（GNU Project Debugger），是GNU工具链中的调试软件。GDB是一款应用非常广泛的调试工具，能够用于调试C、C++、Ada等等各种语言编写的程序，它提供如下功能：
[*]下载或者启动程序；
[*]通过设定各种特定条件来停止程序；
[*]查看处理器的运行状态，包括通用寄存器的值，内存地址的值等；
[*]查看程序的状态，包括变量的值，函数的状态等；
[*]改变处理器的运行状态，包括通用寄存器的值，内存地址的值等；
[*]改变程序的状态，包括变量的值，函数的状态等。
GDB可以用于在主机PC的Linux系统中调试运行的程序，同时也能用于调试嵌入式硬件，在嵌入式硬件的环境中，由于资源有限，一般的嵌入式目标硬件上无法直接构建GDB的调试环境（譬如显示屏和Linux系统等），这时可以通过GDB+GdbServer的方式进行远程（remote）调试，通常而言GdbServer在目标硬件上运行，而GDB则在主机PC上运行。
为了能够支持GDB对其进行调试，蜂鸟E203使用OpenOCD作为其GdbServer与GDB进行配合。OpenOCD（ Open On-Chip Debugger ）是一款开源的免费调试软件，由社区共同维护，由于其开放开源的特点，众多的公司和个人使用其作为调试软件，支持大多数主流的MCU和硬件开发板。
为了能够完全支持GDB的功能，在使用GCC对源代码进行编译的时候，需要使用-g选项，例如：gcc -g -o hello hello.c 。该选项会将调试所需信息加入编译所得的可执行程序中，因此该选项会增大可执行程序的大小，因此在正式发布的版本中通常不使用该选项。
GDB虽然可以使用一些前端工具实现图形化界面，但是更常见的是使用命令行直接对其进行操作。常用的GDB命令介绍以及如何GDB和OpenOCD对蜂鸟E203内核进行调试的详细步骤，请参见中文书籍《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》第11章了解详细信息。
5运行更多示例程序和Benchmarks
衡量处理器的一个重要指标便是功耗，另外一个重要指标便是性能。而对于处理器性能的评估，需要依赖跑分程序（Benchmarks）来完成。
在处理器领域的Benchmarks非常众多，有某些个人开发的程序，也有某些标准组织，或者商业公司开发的Benchmarks，本文在此不加以一一枚举。在嵌入式处理器领域最为知名和常见的Benchmarks为Dhrystone和CoreMark。
Dhrystone和CoreMark和更多其他的示例程序的详细介绍，以及如何在HBird-E-SDK平台运行的详细步骤，请参见中文书籍《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》第12章了解详细信息。
6移植和运行FreeRTOS
FreeRTOS是著名的开源实时操作系统（RTOS），FreeRTOS完全免费，具有源码公开、可移植、可裁剪、任务调度灵活等特点，可以方便地移植到各种MCU上运行。
有关FreeRTOS的详细介绍，以及如何在HBird-E-SDK平台运行的详细步骤，请参见《蜂鸟E203移植FreeRTOS》（请持续关注公众号，后续即将发布）。
7WindowsIDE开发工具
一款高效易用的集成开发环境（Integrated DevelopmentEnvironment，IDE）对于任何MCU都显得非常重要，软件开发人员需要借助IDE进行实际的项目开发与调试。
ARM架构的MCU目前占据了很大的市场份额，ARM的商业IDE软件Keil也非常深入人心，很多嵌入式软件工程师均对其非常熟悉是商业IDE软件（譬如Keil）存在着授权以及收费的问题，各大MCU厂商也会推出自己的免费IDE供用户使用，譬如瑞萨的e2studio和NXP的LPCXpresso等，这些IDE均是基于开源的Eclipse框架，Eclipse几乎成了开源免费MCU IDE的主流选择。
Eclipse平台采用开放式源代码模式运作，并提供公共许可证（提供免费源代码）以及全球发布权利。Eclipse本身只是一个框架平台，除了Eclipse平台的运行时内核之外，其所有功能均位于不同的插件中。开发人员既可通过Eclipse项目的不同插件来扩展平台功能，也可利用其他开发人员提供的插件。一个插件可以插入另一个插件，从而实现最大程度的集成。
Eclipse IDE平台具备以下几方面的优势：
[*]社区规模大
Eclipse自2001年推出以来，已形成大规模社区，这为设计人员提供了许多资源，包括图书、教程和网站等，以帮助他们利用Eclipse平台与工具提高工作效率。Eclipse平台和相关项目、插件等都能直接从eclipse.org网站下载获得。
[*]持续改进
Eclipse的开放式源代码平台帮助开发人员持续充分发挥大规模资源的优势。Eclipse在以下多个项目上不断改进。
· 平台项目——侧重于Eclipse本身。· CDT项目——侧重于C/C++语言开发工具。· PDE项目——侧重于插件开发环境。
[*]源码开源
设计人员始终能获得源代码，总能修正工具的错误，它能帮助设计人员节省时间，自主控制开发工作。
[*]兼容性
Eclipse平台采用Java语言编写，可在Windows与Linux等多种开发工作站上使用。开放式源代码工具支持多种语言、多种平台以及多种厂商环境。
[*]可扩展性
Eclipse采用开放式、可扩展架构，它能够与ClearCase、SlickEdit、RationalRose以及其他统一建模语言（UML）套件等第三方扩展协同工作。此外，它还能与各种图形用户接口（GUI）编辑器协同工作，并支持各种插件。
请参见《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》书籍第13章，其中详细介绍了如何使用基于MCU Eclipse IDE的Windows开发调试环境对蜂鸟E203内核进行软件开发和调试。
文章回顾
此篇为《蜂鸟FPGA开发板全知道篇2：快速上手介绍(下）》。完
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