Kintex-7にMicroblazeを載せる のバックアップ(No.4)

プロジェクトの作成 †

[File]-[Project]-[New]

適当に名前を付ける

RTL プロジェクトを選ぶ

Block Design をトップにするのでここでは何もしない

制約ファイルを１つ作っておく

対象とする FPGA を選択する

以上でプロジェクト作成できた

ブロック図の作成 †

こちらが完成形：

• 入力端子として
  • クロック（差動入力）
  • リセット（負論理）
  • スイッチ２つ
  • UART-RX (USB-Serial 変換器の TX 端子と繋ぐ)
• 出力端子として
  • LED ２つ
  • UART-TX (USB-Serial 変換器の RX 端子と繋ぐ)

を持っており、それらが適切に IP に繋がっている。

以下が手順：

Block Design を新規作成

プロジェクトに１つしか作らないなら名前は適当でも

Add IP ボタンから MicroBlaze を追加する

同様にシリアル通信用の UART モジュール を追加

同様に LED やスイッチの制御のための GPIO モジュール を追加

Regenerate Layout ボタンで配置を調整

上部の Run Block Automation を押し、MicroBlaze についていろいろ設定する

OK すると以下が自動的に追加される。

• クロックジェネレータ (Clocking Wizard)
• リセットコントローラ (Processor System Reset)
• ローカルメモリ (local memory)
• AXI ハブ (AXI Interconnect)
• 割り込みコントローラ (AXI Interrupt Controller)

Clocking Wizard をダブルクリックして

入力周波数を 200MHz に変更

リセットを反転入力とする

GPIO をダブルクリックして

下位２ピンを出力にし、割り込みを有効にする

Slice を追加しダブルクリック

From を 1 にする

Concat を追加しダブルクリック

&ref(): File not found: "adjust-conscat.png" at page "電気回路/HDL/Kintex-7にMicroblazeを載せる"; 28bit, 1bit, 1bit, 2bit のポートを用意する

Const を追加しダブルクリック

幅を 28bit, 値をゼロに設定

GPIO モジュールの GPIO バスをクリックして開き、slice, concat, const と結ぶ。
また、Slice の出力、Concat の２本の入力について、右クリックから Make External して外部端子を出す。

UART, GPIO からの割り込み線を INTC へ繋がる Concat へ接続

UART の UART 端子を右クリックして Make External

Clocking Wizard の入力端子を Make External

左上の Run Connection Automation をクリック

これで UART と GPIO が AXI ハブに繋がる。

Regenerate Layout して完成。

アドレスを確認 †

Diagram のとなりのタブに Address Editor がある。

ここで、それぞれの IP のベースアドレスを確認できる。
必要に応じて変更することもできる。

ブロック図から HDL を生成する †

上図の左下で Generate Block Design を押すと以下のダイアログが現れる。

Global を選ぶ

design_1 上で右クリックして Create HDL Wrapper を選択。

扱いは Vivado に任せる。

design_1_wrapper.v が自動生成され、以降、必要に応じて自動更新される。

Synthesis してみる †

まだ制約をまったく与えていないものの、この時点で Synthesis が可能になっている。

&ref(): File not found: "synthesis-success.png" at page "電気回路/HDL/Kintex-7にMicroblazeを載せる"; &ref(): File not found: "post-synthesis-utilization.png" at page "電気回路/HDL/Kintex-7にMicroblazeを載せる";

Clocking Wizard に

&ref(): File not found: "post-synthesis-report-timing-summary.png" at page "電気回路/HDL/Kintex-7にMicroblazeを載せる";

制約を与える †

module design_1_wrapper のインタフェースを見ると、

module design_1_wrapper(
  input wire CLK_IN1_D_0_clk_n,
  input wire CLK_IN1_D_0_clk_p,
  output wire [1:0] Dout_0,
  input wire [0:0] In1_0,
  input wire [0:0] In2_0,
  input wire UART_0_rxd,
  output wire UART_0_txd,
  input wire resetn_0
);

となっている。

Bit Stream を生成する †

（未稿）

制約が満たされていることを確認 †

（未稿）

ハードウェアを SDK にエクスポート †

以下に見るように、MicroBlaze 用のソフトウェアは WebPack 版の Xilinx SDK では開発できないので、 実はこの作業は無意味であった。

EDK を持っていて、SDK でソフト開発ができる場合にはこの手順で正しいはず。

（以下未稿）

Windows 上の Vagrant で Ubuntu を立ち上げる †

gcc のビルドには Linux 環境が必要なので、お手軽な環境として Windows10 に VirtualBox を入れ、Vagrant から利用する。

ここではすでに VirtualBox と Vagrant は導入済みとして、 以下の手順で進める。

ただし、ビルドする開発ツール自体はローカルフォルダ (./work) にインストールすることになるため、必ずしもこれだけのために 仮想マシンが必要ではない。いくつかのパッケージを入れることをいとわなければ、 既存の Ubuntu 環境で作業しても問題ないはず。

https://qiita.com/watame/items/1c17aaf266f14abef13f を見ながら

LANG:console
$ cd \Users\osamu\Vagrant
$ mkdir microblaze-gcc
$ cd microblaze-gcc
$ vagrant init bento/ubuntu-16.04
$ vagrant up --provider virtualbox
$ vagrant ssh

これでコンソールが立ち上がる。

まずは日本語キーボードに変更し( https://blog.amedama.jp/entry/2017/03/10/210552 )、
タイムゾーンを日本にする( https://qiita.com/koara-local/items/32b004c0bf80fd70777c )。

LANG:console
$ sudo dpkg-reconfigure keyboard-configuration
 > Generic 105-key (Intel) PC
 > Japanese
 > Japanese
 > The default for the keyboard layout
 > No compose key
$ sudo timedatectl set-timezone Asia/Tokyo

共有フォルダの設定 †

一旦 exit で抜けて、

LANG:console
$ vagrant halt

で仮想マシンも止める。

\Users\osamu\Vagrant\microblaze-gcc\Vagrantfile に

config.vm.synced_folder "./shared", "/home/vagrant/shared"

という行を追加した。

これはホストマシンの

\Users\osamu\Vagrant\microblaze-gcc\shared

の内容を仮想マシンの

/home/vagrant/shared

に接続するおまじない。

必要なパッケージを追加する †

もう一度、

LANG:console
$ vagrant up --provider virtualbox
$ vagrant ssh

としてシェルを立ち上げ、

LANG:console
$ sudo apt-get -y install build-essential m4 g++ texinfo

開発用ツールチェインのビルド †

https://qiita.com/watame/items/1c17aaf266f14abef13f を参考にしつつ、 以下の内容を \Users\osamu\Vagrant\microblaze-gcc\shared\build-gcc.sh として保存した。

LANG:sh
export MB_WORK=~/work

export MB_LINUX_DEP=${MB_WORK}/mb-linux-dep
export MB_LINUX_PREFIX=${MB_WORK}/mb-elf-toolchain-linux

export MB_BUILD=x86_64-linux-gnu
export MB_TARGET=microblaze-elf
export MB_PREFIX=mb-

export PATH=${MB_LINUX_PREFIX}/bin:$PATH

# prepare --------------------------------------------------
mkdir -p ${MB_WORK}/build-linux
mkdir -p ${MB_WORK}/source

# download sources...
cd ${MB_WORK}/source
wget http://ftp.gnu.org/gnu/gmp/gmp-6.1.1.tar.xz
wget http://ftp.gnu.org/gnu/mpfr/mpfr-3.1.4.tar.xz
wget http://ftp.gnu.org/gnu/mpc/mpc-1.0.3.tar.gz
wget http://isl.gforge.inria.fr/isl-0.17.tar.xz
wget http://ftp.gnu.org/gnu/binutils/binutils-2.26.1.tar.bz2
wget http://ftp.gnu.org/gnu/gcc/gcc-5.4.0/gcc-5.4.0.tar.bz2
wget ftp://sources.redhat.com/pub/newlib/newlib-2.4.0.20160527.tar.gz
tar xzf gmp-6.1.1.tar.xz
tar xzf mpfr-3.1.4.tar.xz
tar xzf mpc-1.0.3.tar.gz
tar xzf isl-0.17.tar.xz
tar xzf binutils-2.26.1.tar.bz2
tar xzf gcc-5.4.0.tar.bz2
tar xzf newlib-2.4.0.20160527.tar.gz

# linux ----------------------------------------------------
# gmp
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-gmp
cd build-gmp
../../source/gmp-6.1.1/configure --prefix=${MB_LINUX_DEP}
make && make install && make check

# mpfr
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-mpfr
cd build-mpfr
../../source/mpfr-3.1.4/configure \
  --enable-static --disable-shared \
  --with-gmp=${MB_LINUX_DEP} \
  --prefix=${MB_LINUX_DEP}
make && make install

# mpc
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-mpc
cd build-mpc
../../source/mpc-1.0.3/configure \
  --enable-static --disable-shared \
  --with-gmp=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-mpfr=${MB_LINUX_DEP} \
  --prefix=${MB_LINUX_DEP}
make && make install

# isl
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-isl
cd build-isl
../../source/isl-0.17/configure \
  --without-piplib \
  --enable-static --disable-shared \
  --with-gmp-prefix=${MB_LINUX_DEP} \
  --prefix=${MB_LINUX_DEP}
make && make install

# binutils
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-binutils
cd build-binutils
../../source/binutils-2.26.1/configure --target=${MB_TARGET} \
  --prefix=${MB_LINUX_PREFIX} \
  --program-prefix=${MB_PREFIX}
make && make install

# bootstrap gcc
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-gcc1
cd build-gcc1
../../source/gcc-5.4.0/configure \
  --target=${MB_TARGET} \
  --program-prefix=${MB_PREFIX} \
  --with-gnu-as --with-gnu-ld \
  --enable-static --disable-shared \
  --with-gmp=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-mpfr=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-mpc=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-isl=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-newlib \
  --without-headers \
  --enable-languages="c,c++" --enable-interwork --enable-multilib \
  --disable-decimal-float --disable-libffi \
  --disable-libgomp --disable-libmudflap --disable-libquadmath --disable-libssp --disable-libstdcxx-pch \
  --disable-nls --disable-shared --disable-threads --disable-tls \
  --prefix=${MB_LINUX_PREFIX} \
  --with-system-zlib
make -j2 all-gcc
make install-gcc

# because newlib not support program-prefix, we need to create symbol link
cd ${MB_LINUX_PREFIX}/bin
ln -s mb-gcc mb-cc
ln -s mb-ar microblaze-elf-ar
ln -s mb-as microblaze-elf-as
ln -s mb-c++ microblaze-elf-c++
ln -s mb-gcc microblaze-elf-gcc
ln -s mb-gcc microblaze-elf-cc
ln -s mb-gcc-ar microblaze-elf-gcc-ar
ln -s mb-gcc-nm microblaze-elf-gcc-nm
ln -s mb-gcc-ranlib microblaze-elf-gcc-ranlib
ln -s mb-gcov microblaze-elf-gcov
ln -s mb-gcov-tool microblaze-elf-gcov-tool
ln -s mb-ld microblaze-elf-ld
ln -s mb-ld microblaze-elf-ld.bfd
ln -s mb-nm microblaze-elf-nm
ln -s mb-objcopy microblaze-elf-objcopy
ln -s mb-objdump microblaze-elf-objdump
ln -s mb-ranlib microblaze-elf-ranlib
ln -s mb-readelf microblaze-elf-readelf
ln -s mb-size microblaze-elf-size
ln -s mb-strings microblaze-elf-strings
ln -s mb-strip microblaze-elf-strip

# newlib
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-newlib
cd build-newlib
../../source/newlib-2.4.0.20160527/configure \
  --target=${MB_TARGET} \
  --prefix=${MB_LINUX_PREFIX}
make && make install

# gcc
cd ${MB_WORK}/build-linux
mkdir build-gcc2
cd build-gcc2
../../source/gcc-5.4.0/configure \
  --target=${MB_TARGET} \
  --program-prefix=${MB_PREFIX} \
  --with-gnu-as --with-gnu-ld \
  --enable-static --disable-shared \
  --with-gmp=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-mpfr=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-mpc=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-isl=${MB_LINUX_DEP} \
  --with-newlib \
  --enable-languages="c,c++" --enable-interwork --enable-multilib \
  --disable-decimal-float --disable-libffi \
  --disable-libgomp --disable-libmudflap --disable-libquadmath --disable-libssp --disable-libstdcxx-pch \
  --disable-nls --disable-shared --disable-threads --disable-tls \
  --prefix=${MB_LINUX_PREFIX} \
  --with-system-zlib
make -j 2
make install

cd ${MB_LINUX_PREFIX}

リンク先のままだと make -j4 all-gcc で、

checking dynamic linker characteristics... configure: error: Link tests are not allowed after GCC_NO_EXECUTABLES.
Makefile:8349: recipe for target 'configure-zlib' failed
make: *** [configure-zlib] Error 1
make: *** Waiting for unfinished jobs....

というエラーが出たので、https://stackoverflow.com/questions/29481325/arm-gcc-build-error-under-fedora-21 に従って configure に --with-system-zlib を追加してある。

あとは、

LANG:console
$ cd
$ source shared/build-gcc.sh 2>1 | tee shared/build-gcc.log

とすれば、かな～り時間はかかるもののビルドに成功するはず。

LANG:console
$ cd
$ ls work/mb-elf-toolchain-linux/bin
 mb-addr2line  mb-gcc-ar      mb-ranlib           microblaze-elf-gcc-5.4.0   microblaze-elf-objdump
 mb-ar         mb-gcc-nm      mb-readelf          microblaze-elf-gcc-ar      microblaze-elf-ranlib
 mb-as         mb-gcc-ranlib  mb-size             microblaze-elf-gcc-nm      microblaze-elf-readelf
 mb-c++        mb-gcov        mb-strings          microblaze-elf-gcc-ranlib  microblaze-elf-size
 mb-cc         mb-gcov-tool   mb-strip            microblaze-elf-gcov        microblaze-elf-strings
 mb-c++filt    mb-ld          microblaze-elf-ar   microblaze-elf-gcov-tool   microblaze-elf-strip
 mb-cpp        mb-ld.bfd      microblaze-elf-as   microblaze-elf-ld
 mb-elfedit    mb-nm          microblaze-elf-c++  microblaze-elf-ld.bfd
 mb-g++        mb-objcopy     microblaze-elf-cc   microblaze-elf-nm
 mb-gcc        mb-objdump     microblaze-elf-gcc  microblaze-elf-objcopy
$ microblaze-elf-gcc --version
 microblaze-elf-gcc (GCC) 5.4.0
 Copyright (C) 2015 Free Software Foundation, Inc.
 This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
 warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

パスに追加 †

LANG:console
$ cat >> ~/.bashrc
 PATH=/home/vagrant/work/mb-elf-toolchain-linux/bin/:$PATH
 ^D

試しにコンパイルしてみる †

LANG:console
$ cd shared
$ mkdir hello
$ cd hello
$ cat > hello.c
 int main()
 {
   return 0;
 }
$ mb-gcc -c hello.c
$ ls
 hello.c  hello.o
$ mb-gcc hello.c -o hello.elf
 /home/vagrant/work/mb-elf-toolchain-linux/lib/gcc/microblaze-elf/5.4.0/../../../../microblaze-elf/bin/ld: cannot find -lxil
 collect2: error: ld returned 1 exit status

コンパイルはできるけれど、リンクで libxil というライブラリが見つからないといって失敗する。

標準ライブラリなしでリンクするには -nostdlib を付けると良いらしいのだけれど、

LANG:console
$ mb-gcc hello.c -nostdlib -o hello.elf
/home/vagrant/work/mb-elf-toolchain-linux/lib/gcc/microblaze-elf/5.4.0/../../../../microblaze-elf/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 0000000000000050

今度は _start が見つからないと言われてしまう。

Wikipedia:フリースタンディング環境 などで解説されているとおり、-nostdlib を付けた場合には始めから main ではなく _start をエントリポイントとすれば良いらしい。

LANG:console
$ cat > hello.c
 void _start()
 {
 }
$ mb-gcc hello.c -nostdlib -o hello.elf
$ ls
 hello.c  hello.elf

めでたくコンパイルが通る。

コンパイルオプション †

MicroBlaze を AXI バスと共に使う場合には

https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2018_1/ug984-vivado-microblaze-ref.pdf#page=11

にあるように Little Endian になるので、コンパイル時にもそうなるようにオプションを付ける必要がある。

LANG:console
$ mb-gcc -mlittle-endian -O2 hello.c -nostdlib -o hello.elf