本文撰写于2020年07月
第三部分 最简SOC系统搭建
2.1 最简系统搭建
仅需要 M3 CPU 内核，总线解码模块，RAM模块，ROM模块，简单的外设模块，在配合软件驱动，一个最简的M3 SOC 系统即可运行。这里演示如何在资源有限的硬件平台上，仅利用其中的CPU部分，搭建最简单的系统。在\m3designstart\logical\cortexm3integration\_ds\_obs\verilog文件夹中有两个VerilogHDL文件：cortexm3ds_logic.v和CORTEXM3INTEGRATIONDS.v。其中前者是经过扰乱的Cortex-M3CPU代码，后者是对外的接口文件。
通过使用vivado的块图设计（Blcok design）工具，预先设计好各个子模块和接口连接关系后，可以以图形化的方式来快捷方便地搭建所需的定制化SOC系统。
2.2 块图设计
我们团队利用CMSOK中提供的资源，以及自己编写所需的模块，设计了如下的子IP模块，用于在块图设计（Blcok design）中使用，各个子模块的功能和接口在下面详细介绍，用于搭建的最简的SOC系统如下所示，利用块图设计，不用一分钟便可以搭建完成，十分方便快捷。
图形化界面搭建完成后，使用vivado自动化工具，即可自动完成模块例化，端口连接的工作。
由于没有采用Xilinx官方IP，故生成的代码是纯Verilog代码，可以任意移植到任何一个FPGA平台上。
利用vivado的块图设计，大大减少了在SOC总线连接时使用的时间，由于采用标准化总线连接，也大大降低了由于失误而造成的总线连接错误。
在上面的最简系统中，外设模块是一个LED灯和按键（KEY或SW）的驱动模块。位宽均设置为12位，CPU通过AHB_lite总线，来读取按键的值，向LED写入数据。
该模块挂载在了地址为 0x4100_0000 ---- 0x410F_FFFF的地址空间。LED和KEY（SW）的偏移地址均为0x00。输入的按键值通过两级寄存器进行缓存，消除毛刺。
2.3 软件测试
在软件模块，先定义AHB_mux 的各个子端口的地址空间。定义LED，KEY（SW）的基地址，定义LED，KEY的读写指针。
稍后，便可以在主程序中来控制按键和LED了。测试代码如下，通过不断读取按键（SW）的值，并写入到LED中，便可以实现LED灯随按键的状态而改变。
稍后，建立FPGA工程，导入vivado生成的工程代码，分配引脚，约束时序，通过综合，布局布线，生成比特文件后下载到FPGA开发板上。
然后，建立软件工程，在keil软件上编写头文件，定义地址分布，驱动程序后，编译，利用keil软件，通过板载的DAP，将生成的软件代码下载到板卡上，软件自动运行，即可看到LED灯随着按键的改变而改变，最简SOC系统即测试成功。
4 仿真结果
通过在modelsim中仿真，也验证了我们设计的正确性。下面仿真图为LED灯随按键KEY值变化的仿真时序图。
第四部分 子模块设计
1，接口设计
Vivado工具里的接口是一个非常方便地概念，使用vivado的接口工具，可以将一个复杂的总线里的多条信号线简化为一个总线接口，在块图设计时，只需要将对应总线连接，vivado工具就会自动生成各个子信号之间的连接。十分方便快捷，且避免了手动连线造成的错误。
在该项目中，定制了如下的总线模块：
- AHB_lite：ahb_lite总线接口
- APB：apb总线接口
- CMSIS_DAP：cmsis_
- dap调试接口 UART ：串口总线
- USER_CAMERA：摄像头数据总线
- fpga_sram：sram内存访问端口。
2，IP设计
在vivado工具中，除了官方的IP外，也可以将用户自定义的代码打包为IP，在块图设计和源码级设计中，均可以同官方IP一样方便使用。在我们得到项目中，也将各个子模块打包为了IP文件，实现了代码在IP级别的重用。Vivado的IP工具和接口工具，大大地提高了FPGA设计的便利性。
在该项目中，除了将一些CMSDK中的相关模块打包外，还自定义了许多其他的模块。具体的模块如下所示：
Cmsdk开头的是ARM Cortex DesignStart提供的模块，user开头的是自定义的模块。下面介绍下常用的几个子模块。
3，user_CortexM3_cpu
该IP将arm m3内核进行封装，将cmsis_dap和中断接口引出，对AHB_ICODE 和 AHB_DCODE 总线进行仲裁后作为一路 AHB_CODE引出，用于连接ROM模块，将AHB_SYSTEM总线直接引出，用于连接外设模块。生成的IP块图如下：
4，user_apb_mux
该模块用于AHB 总线的解码和多路转换。该模块的输入端连接至CPU的ahb_system接口上，输出端口是经过地址译码的10个ahb 端口，用于连接ram和其他外设模块。各个模块的地址分配在此模块中完成。该模块也负责ahb总线的多路转换，用于将从各个子模块中读回的数据根据地址进行分配，传输至master端。
各个子模块的地址分配如下：
5，cmsdk_fpga_sram，cmsdk_ahb_to_sram
这两个模块要配合使用，cmsdk_ahb_to_sram用于将ahb协议转化为sram的传输协议，而cmsdk_fpga_sram中例化了FPGA片上的存储资源，用于作为SOC系统的RAM和ROM使用。cmsdk_fpga_sram的空间大小可以通过vivado的GUI界面来配置，数据位宽为32bit。
6，cmsdk_ahb_to_apb
该模块用于实现 ahb 协议到 apb 协议的转换，用于实现CPU控制低速apb外设的目的。
7，user_apb_mux
该模块用于实现apb地址的解码和多路转换。该模块的输入端口连接到cmsdk_ahb_to_apb模块，输出端口为16个apb子端口，可以连接16个ahb外部设备。要注意的是，apb_mux模块只对地址的低16位进行了译码，连接到子端口的外部设备的地址等于 ahb_to_apb 模块挂载在ahb_mux上的基地址 + apb_mux 模块的偏移地址。地址分配如下：
8，其他模块
其他模块如数码管驱动模块，按键读取模块，apb_uart模块，apb_timer模块，VGA显示模块，矩阵键盘译码模块，ahb_gpio模块等基础模块便不一一介绍，如需了解模块详情，阅读源代码即可。
第五部分 软件设计
1，设计思路
搭建好硬件系统后，需要为各个外设模块编写软件驱动程序。具体的原理即为，控制为外设模块的寄存器被分配唯一的一个地址上，通过CPU向该地址写数据，即可对该外设进行配置，通过CPU向该地址写数据，即可得到该外设的状态。
在C语言中，利用指针即可对指定地址进行读写操作。将指针指向一个地址，向该指针写数据即可实现向分配到该地址的寄存器写入数据，读取该指针即可读取指向该地址的寄存器的值。更加详细的内容即为C语言的基础知识，在此不做过多讲解，可从任意一本C语言的教材数中找到。
2，地址分配
如下所示，先定义各个总线子模块的基地址，然后定义各个外设模块的基地址。如图中所示，先定义10个AHB从端口的基地址，然后定义APB总线的基地址，由于在设计中APB总线挂载在AHB9从端口上，故APB0模块的基地址即为AHB\_MUX9的基地址。
接下来定义各个APB从端口的偏移地址，挂载在每个APB从端口的外设的绝对地址等于APB模块的基地址+APB从端口的偏移地址。
LED灯和按键（KEY或SW）的驱动模块挂载在AHB总线的端口1上，向该模块的偏移地址为0 的寄存器写数据，即向LED灯端口写入数据，读取偏移地址为0的寄存器数据，即得到按键（SW或KEY）的输入数据。
3，驱动编写
外设驱动的设计思路便是。利用地址映射的思想，通过指针来实现对寄存器的访问，通过对特定寄存器的读写，实现特定功能。
更加详细的说明这个报告里显得繁琐，也不一一进行说明了。这些属于嵌入式的基本知识，在任何关于嵌入式设计的资料中都会涉及到。
对于自定义的较为简单的外设模块，直接采用指针访问的形式。
如下图的LED灯和按键驱动模块，设计较为简单，只有一个有效的寄存器，则可通过指针的方式直接访问该寄存器。语句 ((unsigned int) AHB_LED_BASE) 即定义了一个指向 AHB_LED_BASE地址的指针，再利用 #define 语句将该指针重定义到AHB_LED 标识符，则即可利用 标识符 AHB_LED 来访问该段地址空间。
作者：巩文红
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/U3aqPmU2pHkMy\_aJphzVvA
微信公众号：更多Arm杯竞赛作品请关注Arm技术竞赛作品分享专栏。
