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FPGA代做-使用Arduino玩转FPGA

FPGA作为一种非常底层的硬件可编程逻辑芯片,实现数字逻辑电路可谓非常灵活,但是对于习惯了C语言和MCU编程的同学来说,从底层电路写到上层应用还是要费一番工夫的。

那么既想在FPGA里面灵活地设计底层电路,又希望像Arduino一样快速地开发应用程序,鱼与熊掌,可否兼得呢?

我们知道在MCU(Microcontroller Unit)中运行的是CPU硬核,比如Intel的8051核,ARM的Cortex-M核,Arduino板上用的AVR核等,各大半导体厂商在CPU Core的基础上集成了各种各样的外设模块,以适用于不同的应用需求。用户需要关心的就是这款MCU有哪些资源,寄存器如何配置。如果我想根据自己的应用需求来定制一款MCU,但是半导体厂商又不理我怎么办呢?办法总是有的,那就回到MCU出生之前的状态。通过将处理器内核移植到FPGA中,使用FPGA内部的逻辑资源和存储资源来构建一个软MCU,再通过内部总线挂载需要的外设电路就构成了一个定制化的MCU,我们称之为软核。

软核中的野马战斗机—FP51-1T

目前,在FPGA中移植软核已经是一种常见的做法,但是大多数MCU软核都是FPGA厂商定制的,比如Altera的Nios II、Xilinx的MicroBlaze和Lattice的MICO32/MICO8,这些软核并不完全开源并且对用户做了诸多限制。

国外有一家名叫PulseRain Technology的公司开发并了一款高性能的MCU软核,该软核虽然基于8位的8051体系,但是它巧妙地实现了RISC架构,并且优化了指令集,大部分指令都可以单时钟周期实现,主频可以飙到100MHz以上,以二战时彪悍的野马战斗机P51来命名这款软核再合适不过了。

为方便调试,在软核内部集成了OCD(On Chip Debugger-片上调试)模块,PC主机只要通过RS232接口就可以实现程序下载、单步执行、断点调试等功能。这款软核最大的灵活性在于通过Wishbone总线挂载了Timer、SPI/I2C、UART、PWM、voice CODEC、microSD、 Serial SRAM等外设接口,为方便软件开发,PulseRain Technology提供了兼容Arduino的板卡支持包和软件开发库,将该软核移植到FPGA就可以使用Arduino来开发FPGA了。

FP51-1T结构图

FP51-1T软核采用最小资源配置及移植到Altera MAX10系列FPGA资源占用情况:

  • 8051 1T MCU Core
  • 16KB Code Memory,16KB Data Memory
  • 2 Timer
  • 1 Watchdog Timer / LED Controller
  • 1 RS-232 UART,1 JTAG UART
  • OCD

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