• PicoRV32-on-PYNQ-Z2: An FPGA-based SoC System——RISC-V On PYNQ项目复现


    本文参考:
    👉 1️⃣ 原始工程
    👉 2️⃣ 原始工程复现教程
    👉 3️⃣ RISCV工具链安装教程

    本文工程:
    https://bhpan.buaa.edu.cn:443/link/3FE41DC838E0ADF54B72088B22653E73

    1.准备工作

    👇下面以LOCATION代表本地源存储库的安装目录,以home/xilinx代表在PYNQ-Z2开发板上的目录 ❗

    • 下载Vivado2017.4
        由于最初的源工程是利用Vivado2017.4来创建的,可能也有一些方法可以在其他版本打开,但没有原始工程的xpr文件,所以下载了一个Vivado2017.4,网上的安装教程很多。

    • 下载两个源存储库:

    git clone https://github.com/drichmond/RISC-V-On-PYNQ

      其中,RISC-V-On-PYNQ中的Picrov32是以子模块的形式链接在仓库中,需要通过下面的链接下载后再传入RISC-V-On-PYNQ中相应的位置。

    https://github.com/YosysHQ/picorv32/tree/9b6ea045f9b539b0f708d71962716e5dde865181

      或者可以通过下面的命令直接递归下载子文件夹👇

    git clone --recursive https://github.com/drichmond/RISC-V-On-PYNQ

      最后RISC-V-On-PYNQ中的目录结构应如下图所示

    git clone --recursive https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain \home\xilinx\riscv-gnu-toolchain

      此为RISC-V工具链,在下载过程中可能会遇到以下报错:

      单纯的网络连接不稳定,可以网页开个github试下,什么时候能打开了,这边也就通了。
      若报错Git 客户端无法验证服务器证书的有效性,因此无法建立与服务器的安全连接,可以使用以下命令来配置 Git 客户端:

    git config --global http.sslVerify false
    git config --global https.sslVerify false

      以及如果网络一直不太好的话,据说有这个方法可以通过增加缓存大小来提速(因为没有对比测试过,所以我也不太确定这个有没有大用つ﹏⊂

    git config --global http.postBuffer 524288000

      再如果说,一直出现各种报错的话,可以将本工程文件中主目录下的makefile文件通过WinSCP传入PYNQ-Z2,并在相应目录下执行👇

    make download-tools

      此为自动下载的脚本,来源于Picorv32工程,可以判断目录下的递归文件夹是否安装,但也会由于网络连接问题重开,如果说网络问题是在无法解决,gitee上据说有相应的库,可能会好一些。

    2.生成RISC-V处理器比特流

    • 将Picrov32封装成为Vivado IP:

      使用Vivado 2017.4创建一个工程:

    Project name: picorv32_prj
    Project location: LOCATION/RISC-V-On-PYNQ/ip/
    Project Type: RTL Project
    Source files: picorv32.v LOCATION/RISC-V-On-PYNQ/picorv32
    Constraint files: None
    parts: xc7z020clg400-1

      将自定义接口IP添加到Vivado工程:Flow Navigator->PROJECT MANAGER->Settings

      将该工程封装为IP核:Tools -> Create and Package New IP…

    Packaging Options: Package your current project
    IP location: LOCATION/RISC-V-On-PYNQ/ip/picorv32_tut

      Identification:

    Vendor: cliffordwolf
    Library: ip
    Name: picorv32_tut
    Display name: PicoRV32 Processor with AXI Interface(Tutorial Version)
    Vendor display name: PicoRV32 Processor with AXI Interface(Tutorial Version)

      Customization Parameters:
      就所有参数值的格式均改为bool,并按照图中所示的值对参数值进行修改

      Ports and Interfaces:
      右键mem_axi->Edit Interface

    **General:**
    Interface Definition: aximm_rtl
    **Port Mapping:**
    AWADDR - mem_axi_awaddr
    AWPROT - mem_axi_awprot
    AWVALID - mem_axi_awvalid
    AWREADY - mem_axi_awready
    WDATA - mem_axi_wdata
    WSTRB - mem_axi_wstrb
    WVALID - mem_axi_wvalid
    WREADY - mem_axi_wready
    BVALID - mem_axi_bvalid
    BREADY - mem_axi_bready
    ARADDR - mem_axi_araddr
    ARPROT - mem_axi_arprot
    ARVALID - mem_axi_arvalid
    ARREADY - mem_axi_arready
    RDATA - mem_axi_rdata
    RVALID - mem_axi_rvalid
    RREADY - mem_axi_rready

      Addressing and Memory:
      运行Addressing and Memory Map Wizard,选择mem_axi,相关设置如下图所示👇

      Review and Package:
      点击Package IP即可。

    • 为PYNQ-Z2创建RISC-V比特流:

      将LOCATION/RISC-V-On-PYNQ/riscvonpynq/目录下的PYNQ-Z1.xdc文件的72,73行改为如下:

    set_property -dict {PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports arduino_iic_scl_io]
    set_property -dict {PACKAGE_PIN P16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports arduino_iic_sda_io]

      在目录LOCATION/RISC-V-On-PYNQ下右键打开MobaXterm,执行以下命令:

    make synth
    vivado tutorial/tutorial.xpr

      若报错没有make命令,则可aptget make进行安装;
      若报错没有vivado命令,则是由于未将Vivado添加到环境变量中,找到Vivado的安装目录下的bin目录,按下图所示添加到环境变量中,

      Win+R打开cmd,输入vivado version检查环境变量是否配置成功,成功则有如下显示👇

      执行上面的第一条命令,vivado将进行创建工程并综合,综合结果如下👇,即可输入第二条命令打开工程

      执行命令完成后将打开tutorial.xpr工程,打开其中的tutorial.bd文件

      双击tutorialProcessor

       点击+号 , 将PicoRV32 Processor with AXI Interface (Tutorial Version) IP添加进去:

      双击端口mem_axi,修改其频率为50000000

      并按照下图连线:

      进入Address Editor窗口,分配地址映射:

      右击tutorialProcessor/riscvBramController->Assign Address

    Offset Address: 0x0000_0000
    High Address: 0x0000_FFFF

      运行Tools-Validate Design,提示有warning直接跳过

      点击Generate Bitstream生成比特流文件,文件位置为:/tut/tutorial/tutorial.runs/impl_1,将tutorial_wrapper.bit文件转移到tut目录下,并改名为tutorial.bit

      点击File->Exports…->Export Block Design,导出设计到tcl文件中并覆盖之前的文件,同时需确保Automatically create top design没有被勾选

      将操作完成的整个工程放到PYNQ-Z2的home/xilinx目录下

    3.在PYNQ-Z2上编译RISC-V GCC工具链

    • 工具链的下载:

      在按照官方例程进行下载时,出现了很多的报错问题,反复尝试了很多次都未能解决,而且经常由于网络连接问题而重开。
      最终在上面的参考博客中找到了整个工具链的自动安装脚本,即工程主目录下的Makefile文件
      在目标安装目录下执行命令👇

    make download-tools

      便开始了漫长的下载过程,期间在安装完一个子模块后可能会卡住然后报错,这种情况绝大多数是因为网络原因造成的,如果失败了可以再执行一次上述的命令,当一个子模块安装好,重新执行命令时会自动跳过安装好的模块,继续下一个模块的安装。
      在安装完所有的模块后,执行如下命令👇,便可以构建一个纯RV32IM CPU的完整工具链了

    make -j$(nproc) build-riscv32im-tools

      回车后在命令行输入YES即可执行。
      该步骤会等待的时间较长,去问了相关的博主,他们的编译时间大概在1h左右,猜测可能是由于我是通过PYNQ联网的原因,我的执行时间大概在四五个小时左右,过程中最好别碰,一断网那种心碎💔

      编译成功后的界面如下👇

      执行下面语句将编译生成的opt/riscv32im/bin配置到环境变量中,在JupyterNotebook中执行如下代码👇

    import os
    path = os.environ['PATH'].split()
    riscv_path = '/opt/riscv32im/bin'
    if(riscv_path not in path):
    print('Updating /etc/environment file... ',end="")
    !sed -i 's/PATH=\"\(.*\)\"/PATH=\"\/opt\/riscv32im\/bin:\1\"/' /etc/environment
    print('done')
    else:
    print("/etc/environment file already updated")

      显示 Updating /etc/environment file… done即配置完成。

      重启PYNQ-Z2: ``` shutdown -r now #如在JupyterNotebook中,前面需要加感叹号! ```   重启后确认RISC-V工具链已成功安装 ``` riscv32-unknown=elf-gcc --version ```   显示版本号即成功安装

    4.测试

      在home/xilinx/RISCVOnPYNQ/riscvonpynq/picorv32/tut/目录下创建tutorial.py文件,文件内容如下👇

    from pynq import Overlay, GPIO, Register
    import os
    import inspect
    from riscvonpynq.Processor import BramProcessor
    #--------
    class TutorialOverlay(Overlay):
    """Overlay driver for the PicoRV32 bram Overlay
    Note
    ----
    This class definition must be co-located with the .tcl and .bit
    file for the overlay for the search path modifications in
    riscvonpynq.Overlay to work. __init__ in riscvonpynq.Overlay uses
    the path of this file to search for the .bit file using the
    inspect package.
    """
    pass
    class TutorialProcessor(BramProcessor):
    """Hierarchy driver for the PicoRV32 BRAM Processor
    Note
    ----
    In order to be recognized as a RISC-V Processor hierarchy, three
    conditions must be met: First, there must be a PS-Memory-Mapped
    Block RAM Controller where the name matches the variable
    _bram. Second, the hierarchy name (fullpath) must equal the
    variable _name. Finally, there must be a GPIO port with the name
    _reset_name.
    Subclasses of this module are responsible for setting _name (The
    name of the Hierarchy), _bits (Processor bit-width), _proc
    (Processor Type Name)
    This class must be placed in a known location relative to the
    build files for this processor. The relative path can be modified
    in __get_path.
    """
    _name = 'tutorialProcessor'
    _proc = 'picorv32'
    _bits = 32
    @classmethod
    def checkhierarchy(cls, description):
    return super().checkhierarchy(description)
    def __get_path(self):
    """Get the directory path of this file, or the directory path of the
    class that inherits from this class.
    """
    # Get file path of the current class (i.e. /opt/python3.6/<...>/stream.py)
    file_path = os.path.abspath(inspect.getfile(inspect.getmodule(self)))
    # Get directory path of the current class (i.e. /opt/python3.6/<...>/stream/)
    return os.path.dirname(file_path)
    def __init__(self, description, *args):
    """Return a new Processor object.
    Parameters
    ----------
    description : dict
    Dictionary describing this processor.
    """
    build_path = os.path.join(self.__get_path(), "build")
    reset_value = 0
    super().__init__(build_path, reset_value, description, *args)

      在home/xilinx/RISCVOnPYNQ/riscvonpynq/picorv32/tut/目录下创建__init__.py文件,文件内容如下👇

    from . import tutorial
    from . import build

      将../bram/build拷贝到../tut/build中
      在JupyterNotebook中执行以下代码设置当前工作路径为home/xilinx/RISCVOnPYNQ

    import os
    os.chdir("/home/xilinx/RISC-V-On-PYNQ/")
    print(os.getcwd())

      执行下面代码导入Overlay👇

    import sys
    sys.path.insert(0, '/home/xilinx/RISC-V-On-PYNQ/riscvonpynq/picorv32/')
    from tut.tutorial import TutorialOverlay
    overlay = TutorialOverlay("/home/xilinx/RISC-V-On-PYNQ/riscvonpynq/picorv32/tut/tutorial.bit")

      若没有报错执行以下代码,进行移植的测试👇

    %%riscvc test overlay.tutorialProcessor
    int main(int argc, char ** argv){
    unsigned int * arr = (unsigned int *)argv[1];
    return arr[2];
    }

      但在这里我一直遇到下图的报错

      后来尝试将tut目录下的.hwh文件删除,则可以正确运行。结果如下👇つ﹏⊂猜测原因可能是由于原始工程是基于PYNQ-Z1设计,相应的.hwh文件并没有被正确地使用或者被修改导致与实际连接的硬件不一致。在这种情况下,Vivado可能会默认使用一个标准的接口配置,而不是自定义的接口。

      结果表示编译成功,被编译的是test.c文件,编译结果为.o文件。

      接着运行编译出的文件,在JupyterNotebook中执行以下代码👇

    import numpy as np
    arg1 = np.array([4,2,3], np.uint32)
    retval = overlay.tutorialProcessor.run(test, arg1)
    if(retval != arg1[2]):
    print("Test failed!")
    else:
    print("Test passed!")

      执行结果如下图所示👇

      测试成功后,为了安装资源到板子上,需运行以下代码

    !pip3 install --upgrade /home/xilinx/RISC-V-On-PYNQ/

      安装成功后的结果如下图所示

      至此则完成了整个工程的移植,在后续的工作中可以直接在JupyterNotebook中进行编译运行。★,°:.☆( ̄▽ ̄)/$:.°★

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