Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры

2018-04-03 в 8:01, admin, рубрики: fpga, ПЛИС

Из любого описания на FPGA известно, что для хранения их конфигураций используются специальные микросхемы – конфигураторы. Например, для Altera Cyclone используются микросхемы EPCS. Вот схема от типичной макетной платы с кристаллом семейства Cyclone IV. На ней мы видим конфигуратор EPCS16. Всё бы ничего, но традиционно эти конфигураторы достаточно дороги, поэтому хотелось бы использовать что-нибудь подешевле.

Подробности в длиннющем тексте ниже. Если же очень интересно, но лень читать так много букв, то можно упростить задачу, посмотрев подробное 20-минутное видео.

Итак, вернёмся к нашей проблеме. Если повертеть в руках ту самую макетную плату с кристаллом семейства Cyclone IV, то мы увидим очень удивительную вещь.

Вот она, ПЛИСина, а вот конфигурационная ПЗУ:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 1

Как ни странно, это никакой не EPCS, а обычная 25-тая флешка. Такие флешки стоят дёшево и продаются достаточно много у кого.

Но, как говорится, не все йогурты одинаково полезны. В частности, наши заказчики на радостях закупили подобные флешки, припаяли на плату и получили глобальную проблему. Заходим в программатор, грузим файл, подготовленный для прошивки, начинаем его прошивать и получаем ошибку:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 2

Вот сообщение об ошибке:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 3

Error (209025): Can't recognize silicon ID for device 1. A device's silicon ID is different from its JTAG ID. Verify that all cables are securely connected, select a different device, or check the power on the target system. Make sure the device pins are connected and configured correctly.

Не опознан идентификатор устройства. То есть у флешки неизвестный идентификатор с точки зрения квартуса. Конкретно у наших заказчиков были закуплены кристаллы 25P32, которые вообще не поддерживаются в принципе, но в жизни может быть и более приземлённая ситуация. В частности, на фото выше припаяна флешка от ST, а определяется она как MICRON. Китайские продавцы и не такое могут намаркировать, а когда партия закуплена и не работает – что можно сделать?

Я полез на форумы. Все русскоязычные, какие удалось осмотреть, пестрели обсуждениями, у каких поставщиков и что следует брать, чтобы не напороться на подобную проблему. Но в нашем случае никто покупать новую партию не хотел. В англоязычных источниках удалось найти лишь одну статью с решением, но в современной среде Quartus Prime данное решение «в лоб» не сработает. Поэтому мы взялись задокументировать данную проблему для современной среды, на русском языке и в видео формате.

Итак, как вообще программируется ПЗУшина?

В ПЛИС вливается специальная конфигурация, по которой становится возможно по JTAG достукиваться до флешки. И потом, пользуясь этой конфигурацией, мы заливаем данные. Оказывается, можно сделать подобную конфигурацию, которая даст нам доступ к флешке и даст прошить, невзирая на ID, причём при этом не придётся писать ни строчки собственного кода, да и утилиты все будут использоваться из поставки Quartus Prime (либо Qiartus II, кто пользуется старыми версиями среды разработки).

То есть нам предстоит сделать 3 шага:

Сделать конфигурацию, которая достукивается до флешки.

Написать файл, в котором флешка описывается.

Прошить.

Давайте этим и займёмся. Начнём с разработки собственной «прошивки» (она же конфигурация), не написав при этом ни одной строчки своего кода.

Заходим в Quartus:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 4

Создаём новый проект:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 5

Назовём его, скажем, flasher:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 6

Это имя следует запомнить – оно нам ещё понадобится.

Создаём пустой проект, семейство у меня Cyclone IV E, используемый в проекте кристалл вот такой:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 7

Так. Заканчиваем создание проекта, нажимаем Finish. Проект создан. Как уже было сказано, мы не пишем ни одной строчки своего кода. Но заставить среду сделать что-то всё-таки нужно. Для этого идем в Tools – Platform Designer.

Вот он загрузился. Конкретно у меня в этой плате кварц на 60 Гц, поэтому я подправлю установки частоты:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 8

То, что я делаю сейчас, мы делаем один раз для платформы. То есть если изготовлена какая-то плата, то вот этот загрузчик будет для нее для любого проекта работать.

Я подготовил кварц – теперь мы ставим процессор. В библиотеке слева находим «Процессоры и Периферия», «Встроенные процессоры» и затем – Nios II Processor:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 9

Выбираем его и нажимаем «Добавить».

В открывшемся окне, в свойствах, выбираем Nios II/e, потому что он абсолютно бесплатный и к нему не нужна никакая лицензия.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 10

Ошибки сообщают нам, что не настроены вектора. Мы не собираемся ничего программировать для этого процессора. Поэтому вектора мы просто направляем в первое попавшееся место из списка:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 11

Нам очень важно, чтобы у процессора работал модуль JTAG:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 12

После наших манипуляций ошибки ушли.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 13

С процессором закончено. Нажимаем Finish и двигаемся дальше.

Теперь мы идём в основные функции. Здесь есть конфигураторы:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 14

Раскрываем список конфигураторов – ближе к концу находим EPCS-ки – наши конфигураторы:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 15

Всё оставляем по умолчанию:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 16

Теперь начинаем их связывать. Тактовые сигналы пропускаем на оба модуля, сигнал сброса пропускаем на оба модуля. Сигнал сброса, выходящий из аппаратуры JTAG, – debug_reset_request – мы также пропускаем на оба модуля. Дальше data_master пропускаем на оба модуля. Instruction_master пропускаем только на отладчик. И запрос на прерывания мы также пропускаем:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 17

Дальше мы переходим к внешним ножкам – external. Экспортируем их, для чего дважды щелкаем в поле Double-click to export:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 18

Для простоты назову epcs, чтобы меньше длина была:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 19

Теперь привычным движением руки назначаем базовые адреса:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 20

И назначаем прерывания:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 21

Автоматически назначенный адрес для нашего flash-контроллера – 0×800 – нам следует запомнить:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 22

Он нам еще пригодится. А всё остальное, в принципе, само сделалось и будет работать.

Сейчас очень важно, так как мы не собираемся писать ни одной строчки своего кода, чтобы имя процессорной системы совпадало с именем проекта. Проект у нас был flasher.

Сохраняем систему, называем flasher:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 23

Именно тогда у нас топ-модуль будет именно этот процессор, и поэтому нам не придется ничего делать.

Следующий наш шаг:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 24

Все оставляем по умолчанию, потому что мы просто пользуемся тем, что уже готово:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 25

Завершаем:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 26

Появилось сообщение о том, что нам надо не забыть добавить файл в проект:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 27

Давайте добавим. Идём в Project – Add/Remove Files in Project:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 28

Находим наш файл на компьютере.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 29

Вот он, наш файл flasher с расширением qsys.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 30

Добавили его:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 31

Теперь делаем черновую компиляцию:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 32

Она завершилась успешно.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 33

Теперь, когда она прошла, мы можем назначить выводы. Идем в Pin Planner:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 34

JTAG-овские ножки нам назначать не надо – мы назначаем ножки флешки.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 35

Для каждой микросхемы, для каждого корпуса они свои. В принципе, можно смотреть документацию на микросхему или на свою плату. Например, вот у нас двенадцатая ножка DCLK:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 36

У меня список уже подготовлен – просто вобьём по нему.

Так, epcs_data0, LOCATION: PIN13, epcs_dclk – PIN12, epcs_sce – PIN8, epcs_sdo – PIN6. И конкретно на плате наших заказчиков тактовая частота PIN24, reset_n – PIN88.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 37

Ножки назначили. Запускаем компиляцию. Выдаются ошибки:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 38

Все потому, что я сделал вид, что забыл произвести очень важную настройку. Мы сейчас подключили флешку к служебным линиям. И, по окончании конфигурирования, часть этих линий вообще не доступна, а часть – используется для служебных целей. Поэтому нам выдали сообщения, что у нас конфликт:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 39

Чтобы это устранить, идем в Assignments – Device:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 40

Device and Pin Options:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 41

Здесь выбираем Dual-Purpose Pins. И все эти линии по окончании программирования мы просим сделать обычными линиями ввода-вывода:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 42

Жмём OK, запускаем компилятор. И всё получилось.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 43

Итак, первый шаг завершен. У нас получилась конфигурация, через которую мы можем достукиваться до флешки.

Теперь наша задача – сделать файл, с помощью которого система нашу флешку будет опознавать.

Идём во все программы, Intel FPGA (для старых версий это будет Altera), Nios II Command Shell.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 44

Здесь мы идём в каталог, где мы только что все собрали. При этом не забываем, что слэши тут должны быть не обратные, а прямые, и что результирующий файл flasher.sof лежит в каталоге output_files:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 45

Теперь начинаем произносить волшебные заклинания. Итак, нам нужно влить только что сформированную конфигурацию. Для этого мы пишем:

nios2-configure-sof flasher.sof

и нажимаем Enter:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 46

Файл залился – теперь у нас есть доступ к флешке. Для того, чтобы определить все, что касается доступа к флешке, нам нужно запустить следующую программу:

nios2-flash-programmer --epcs --base=0x800--debug.

где 0x800 – это тот самый адрес, который автоматически назначился на блок epcs и который надо было не забыть.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 47

Нажимаем Enter:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 48

Что он нам сказал? Он попытался осмотреть ту область, которую мы назвали. И по смещению 0 по адресу 800 не нашёл ничего. По адресу с00 он нашёл то, что нам требуется:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 49

Теперь мы запоминаем не просто базовый адрес 800, а конкретный адрес с00 – в дальнейшем работа будет вестись с ним.

Он нашел флешку, ее идентификатор 202016, но сказал, что понятия не имеет, что с ней делать, потому что её не знает.

Вот документация на нашу флешку:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 50

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 51

Её полный идентификатор 202016 – именно его она возвращает в ответ на команду запроса своего кода.

Так что всё правильно – флешка нашлась правильная.

Он нам говорит, что должен быть файл с секцией EPCS-202016.

Замечательно. Изменить – Пометить. Выделяем её имя и берём в буфер обмена.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 52

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 53

Создаём файл ovr.txt и секцию с именем, которое только что скопировали:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 54

В документации на нашу флешку, в разделе Memory Map, мы можем посмотреть, что она состоит из 64 секторов. Каждый сектор имеет размер 64 Кбайт, потому что от 0000 до FFFF.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 55

Поэтому файл с конфигурацией, который мы только что создали, должен выглядеть вот так:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 56

64 сектора размером по 64 Кбайта, или 65536 байта, каждый.
Второй шаг готов. У нас имеются файлы flasher.sof и ovr.txt, который содержит конфигурацию флешки.

Переходим к третьему шагу.

Напомню, что рабочий проект был USB16_my. А файл для прошивания назывался Test1.sof. Мы копируем flasher.sof и ovr.txt к нему.

Теперь мы закончили все подготовительные шаги – приступаем к непосредственным боевым действиям. Чтобы подчеркнуть отсутствие связи между подготовкой и работой, я войду в терминал ещё раз, как будто это происходит на следующий день, через неделю, через месяц или через любой срок после завершения подготовки.

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 57

Первое, что нам нужно сделать, это сформировать выходной файл. Потому что файл sof не шьется в ПЗУ – шьется немного другой файл. Для того чтобы его сформировать, мы пишем:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 58

Получился файл Test1.flash:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 59

Теперь, чисто формально, пришёл черёд действий, которые должны делать сборщики плат. В первую очередь, они точно так же должны загрузить наш flasher, то есть:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 60

После чего они должны прошить ПЗУ:

Использование произвольных DataFlash 25-й серии вместо дорогих конфигураторов FPGA Altera без дополнительной аппаратуры - 61

Собственно, на этом всё. Задача решена, флешка прошита – можно ее использовать, даже несмотря на то, что основной путь говорил про несовпадение ID-шников. И совершенно не требуется покупать дорогие конфигураторы или искать, у какого поставщика 25-е флешки имеют совместимые ID. Мы подготовили «прошивальщик» для нашей конкретной платы (и любых других, где стоит такой же кристалл и Reset с генератором подключены к тому же выводу), мы подготовили текстовый файл для конфигуратора, после чего влили «прошивку», пользуясь утилитами, идущими в комплекте поставки штатной среды Quartus Prime (они же шли и со средой Quartus II).

Автор: Павел Локтев

Источник