Xilinx の .ngc ファイルを作成して、ソースをネットリストに変換して使う

Xilinx の .ngc ファイルを作成して、ソースをネットリストに変換

ここより→ カスタム設計の MicroBlaze 以下に続く
ＣＰＵをソースのままでいろいろ回路を追加しましたが、ここで、ＣＰＵ部分のみの risc4s.ngc ファイルを作成して、ＣＰＵの論理合成時間を少しでも短縮したり、ソースを隠蔽したりできるようにしてみます。risc4s.ngc は、risc4s フォルダのファイルだけ論理合成して、risc4s.ngc を作成しておき、中身の無いラッパーとして、同じ名前の、risc4s.v を作成して、これを、soc_top からインスタンシエートすると、同じように使うことができます。ただ、これまでの risc4s.v と、soc_top.v を少し変更しないといけません。というのは、いままでの risc4s.v のデータバスには、inout ピンがあるので、これを ngc にすると、soc_top からうまく接続できないみたいです。また、.ngc は、Spartan6 で作成したものを、Spartan3 では使えません。その逆は使えるようですが、ゲート数が増加するようです。

ＩＳＥのオプションを設定して riec4s の .ngc ファイルを作成する

以下のように、risc4s フォルダのソースをプロジェクトに読み、Synthesize - XST を右クリックして、Prosess Properties... を開きます。この例では、プロジェクトは、E:\ISEs\project134\ncmbngc フォルダになっています。ncmbngc\risc4s フォルダに、ＣＰＵのコア部分のソースがすべて入っているものとしています。risc4s のソース一式→ risc4s.lzh このソースでは、外部データバスのinout ポートを、input と output に分離しています。なお、ここでは、ＩＳＥは、１３．４としています。ngc ファイルは上位互換なので、少し古いＩＳＥのバージョンで可能です。逆は使えないことが多いです。また、デバイスも上位互換で、下位方向では使えません。

開くと、以下のような設定画面が出るので、Category で、Xilinx Specific Options を選択し、　-iobuf のチェックをＯＦＦ、-bufg の Number of Clock Buffers を、０に設定します。Clock Buffers は、デフォルトで　Spartan6 なら１６になっていますが、risc4s の全ソースでは、明示的には BUFG は使っていないので、０としておきます。無論、risc4s は単一クロックで動作するので、最低１個の　BUFG を使うのですが、ngc では０にしておいても、このモジュールをインスタンシエートするＴＯＰモジュール側で BUFG をつかってクロックを供給するので、ここでは０にします。ここをデフォルトにすると、ＴＯＰモジュールの BUFG でクロックを供給しても、０の場合より、２個、BUFG を多く使ってしまうようです。

新しく作った、ngc ファイルで、ＣＰＵを構成する方法は
イーサネットＰＨＹを操作してみる。ＭＡＣの設計（ Avnet Spartan6 LX9 MicroBoard ）
上記のソースを元にして、ＳＰＩでＳＤカードを制御する回路を追加した例で説明してみます。

risc4s の .ngc ファイルを使って、回路をインプリメント

使用するファイル一式はこちら → lx9_sdfatfs_old.lzh risc4s ＣＰＵコアの .ngc のほか、ＣＰＵの周辺回路、プログラムソースを含む。←モニタにバグあり、修正は下記
上記のソースで、インプリメントした bit ファイルはこちら → lx9ether_soc_top_bit_old.lzh ←モニタにバグあり、修正は下記
修正したもの→ lx9_sdfatfs.lzh
修正したbit ファイルはこちら → lx9ether_soc_top_bit.lzh
修正内容は、モニタスタックエリアと、イーサネット用ワークエリアが一部オーバーラップしていたので修正。
①　新規のＩＳＥプロジェクトを作成し（ lx9_sdfatfs ）上記の、lx9_sdfatfs.lzh　を解凍して、プロジェクトフォルダに、SRCs フォルダ以下をコピーします。
②　以下のように、ＳＲＣｓフォルダのソースをプロジェクトに読み込みます。このとき、risc4s.ngc は読み込みません。

③　migrtl フォルダのソースを読み込みます。

④　mcb_controller フォルダのソースを読み込みます。

⑤　これでソースを全部読み込んだので、次に risc4s.ngc の所在を、ＩＳＥに設定します。これが .ngc ファイルを使って回路をインプリメントするときのポイントです。以下の図のように、Inplement Design を展開し、Translate を右クリックして、最下位の Process Properties..を選択します。

⑥　Process Properties　を開いて、Macro Serch Path の欄の右端の、＋... をクリックして、risc4s.ngc があるフォルダ、SRCs を指定します。

⑥　SRCs を指定して、ＯＫ　をクリックします。

⑥　risc4s.ngc を置いている、ＳＲＣｓフォルダの絶対パスが表示されます。この例では、E:\ISEs\project142\lx9_sdfatfs\SRCs　となっています。

これで、risc4s.ngc を使う設定が完了したので、回路をインプリメントできます。
次に risc4s.ngc を使う回路の例の説明をします。
ＦＰＧＡのコンフィギュレーション用ＳＰＩメモリのリードライト回路のままではＳＤカードの操作はできなかったので、ＳＰＩ操作回路には機能を追加しています。また、ELM home の、 FatFs でＳＤカードのファイルを操作するプログラムも走るようにしましたが、３２ｋバイトのブロックＲＡＭではプログラムが入らないので、ＤＲＡＭ上でのみ走るようになりました。
ＳＤカードでも使えるように改造した、SPI 制御回路はこちら→　spictl2a.v　この回路でシリアルＲＯＭも制御できます。

ＣＰＵとのインターフェイスで、アドレスデコード部分は以下のようになります。

// SPI else if(memaddr[31:16] == 16'hFFF0)// SPI begin if(memwr) begin case(membe) 4'b1000:begin spimode <= {memaddr[7],memaddr[3],2'b00}; end 4'b1100:begin spimode <= {memaddr[7],memaddr[3],2'b01}; end 4'b1111:begin spimode <= {memaddr[7],memaddr[3],2'b11}; end endcase end casex({memwr,memaddr[6:2]}) 6'b1000x0:begin // write multi 0xFFF00000 spiwriteen <= 1; spiwritedata <= memdatao[31:0]; end 6'b1001x1:begin // clock 0xFFF00014 {sdmode,clkdiv} <= memdatao[8:0]; end 6'b0000x0:begin memdata[31:0] <= spiwritedata; end 6'b0000x1:begin memdata[31:0] <= {31'h00000000,spibusy}; end 6'b1001x0:begin // read spireaden <= 1; end 6'b0001x0:begin memdata[31:0] <= spireaddata; end 6'b0001x1:begin memdata[31:0] <= {23'h000000,sdmode,clkdiv}; end 6'b1010x0:begin // setpin spisetpin[3:0] <= memdatao[3:0]; spisetpin[4] <= 1; end 6'b0010x0:begin // read setpin memdata[31:0] <= {28'h0000000,spisetpin[3:0]}; end 6'b1010x1:begin // sdinit 0xFFF00024 sdinit <= memdatao[0]; sdhcf <= memdatao[1]; end 6'b0010x1:begin // read sdinit,sdstat memdata[31:0] <= {28'h0000000,sdstat,sdhcf,sdinit}; end endcase selmem <= 0; memack <= 1; end

ＳＤカードとの接続は以下のようにします。カード挿入検出、ライトプロテクトも接続しています。また、ＳＤカードの電源を、プルアップ電源を含めてＯＮ，ＯＦＦできる回路も追加しています。また、コンフィギュレーション用ＳＰＩメモリにも使えるように、内部で切り替えできるようにしています。

ＳＤカードを操作できるＳＰＩインターフェイスの仕様は以下のようにしました。

**ＳＰＩ　操作モジュールレジスタ**
レジスタ名 (Read/Write)	アドレス	有効ビット	機能	備考
spiwritedata[31:0] (RW)	0xFFF00000 --- 0xFFF00003	1,2,4 バイトの指定	ＳＰＩ送信	ライトサイズによって送信バイト数を指定
spibusy (RO)	0xFFF00004 --- 0xFFF00007	D0	ＳＰＩ制御ビジー	D0 == １でビジー
spireaden (WO)	0xFFF00010 --- 0xFFF00013	何かを書く	ＳＰＩ受信開始	ライトサイズによって受信バイト数を指定
spireaden (WO)	0xFFF00018 --- 0xFFF0001B	何かを書く	ＳＰＩ受信開始	受信後、ＣＳをＨｉｇｈ
spireaden (WO)	0xFFF00098 --- 0xFFF0009B	何かを書く	ＳＰＩ受信開始	ダミークロックの出力
spireaddata[31:0] (RO)	0xFFF00010 --- 0xFFF00013	1,2,4 バイトの指定	ＳＰＩ受信データ	リードサイズによって受信バイト数を指定
sdmode,clkdiv[7:0] (RW)	0xFFF00014 --- 0xFFF00017	D8,D7---D0	ＳＤ，クロックスピード	ＳＰＩポート、クロック分周指定
spisetpin[3:0] (RW)	0xFFF00020 --- 0xFFF00023	D3---D0	ＳＤ電源、ＳＰＩポートピン	ＳＤ電源、ＳＰＩピンへの直接出力
sdstat[1:0] (RO)	0xFFF00024 --- 0xFFF00027	D3---D2	ＳＤカード状態	ライト禁止、カード挿入
sdhcf,sdinit (RW)	0xFFF00024 --- 0xFFF00027	D1---D0	ＳＤカード種別、初期化	ＳＤカード種別、初期化を表示

ＳＰＩ操作モジュールレジスタの詳細

spiwritedata[31:0]　バイト、ワード、ロングワードで書くと、そのバイト数のデータを送信します。送信データ順は、ＭＳＢバイトからＬＳＢバイトの順になります。例として、0x12345678 を書くと、0x12 0x34 0x56 0x78 の順に送信されます。0x9876 を書くと、0x98 0x76 と送信されます。
spibusy　アドレス、0xFFF00004 をロングワードで読むと、ＬＳＢに、ビジー状態が１で読めます。
spireaden　アドレス、0xFFF000010 に、バイト、ワード、ロングワードで何かを書くと、書いたサイズの受信を行います。つまり、８，１６，３２個のクロックを出して受信します。
spireaden　アドレス、0xFFF000018 に、バイト、ワード、ロングワードで何かを書くと、書いたサイズの受信を行います。つまり、８，１６，３２個のクロックを出して受信します。このアドレスの場合は、リード後、ＣＳをＨｉｇｈにします。
spireaden　ライトアドレスを、0xFFF00098 にすると、ＣＳをＨｉｇｈのままで、送信します。ＳＤカードの初期化前にダミークロックを出すときに使います。
spireaddata[31:0]　アドレス、0xFFF00010 をロングワードで読むと、上記で出したリードバイト数に応じたデータを読めます。バイトの場合は、ＬＳＢ８ビットに、ワードの場合は、下位１６ビットの D15--D8 に最初のデータ、D7--D0 に２バイト目のデータになります。ロングワードの場合は、受信した順にＭＳＢバイトから読めます。
sdmode　sdmode：１で、ＳＰＩポートがＳＤカード側になります。０だと、ＳＰＩフラッシュメモリになります。ソフトで設定します。
clkdiv[7:0]　clkdiv[7:0]：ＳＰＩポートのクロックスピードを指定します。０で５０ＭＨｚ、１で２５ＭＨｚ、２で　50/3 で、１６．６６６ＭＨｚ。設定値を n とすると、50/(n + 1)　ＭＨｚになります。
spisetpin[3:0]　spisetpin[0]：１で、ＣＳをＨｉｇｈにします。spisetpin[1]：１で、ＣＬＫをＨｉｇｈにします。spisetpin[2]：１で、ＣＭＤをＨｉｇｈにします。spisetpin[3]：１で、ＳＤカードに電源を供給します。０で、電源をＯＦＦ、かつ、電源ラインを、１００オームでＧＮＤ側にショートします。他のピン（ CS, CLK, CMD ）もＬｏｗにすると、約２ｍｓでほぼ０Ｖになり、、ＳＤカードを挿入したままでも、内部回路を確実にリセット可能です。
sdstat[1:0]　sdstat[0]：１で、ＳＤカードが入っていることを示します。sdstat[1]：１で、カードソケットのライトプロテクトスイッチがＯＦＦで、ライトプロテクトを示します。カードが入ってないときも、１となり、ライトプロテクト状態になります。
sdhcf　sdhcf：１で、ＳＤＨＣカードを示します。ソフトで設定します。
sdinit　sdinit：ＳＤカードの初期化が正常に終了すると１。ソフトで設定します。カードを取り出すと、ハード的にクリアされます。

ＦａｔＦｓのタイムスタンプで使いやすいカレンダー回路の実装

ＦａｔＦｓでは、ファイルの作成時間の記録に、３２ビットで表現できる年月日時分秒のタイムスタンプを使っていますが、これは以下の構成になっています。ＦＡＴ３２を含む詳しい資料は、マイクロソフトのサイトの、fatgen103.doc　を参照

**３２ビットの　Date and Time Formats**
年( 1980 --> 2107 )	月	日	時	分	秒( ２秒単位 )
７ビット	４ビット	５ビット	５ビット	６ビット	５ビット
YYYYYYY	MMMM	DDDDD	HHHHH	MMMMMM	SSSSS

秒データを２秒単位として、３２ビットに詰め込んでいるので、ソフトでは直接扱いにくいので、これを、回路で作成します。３２ビットのレジスタポートを読めば、上記フォーマットで読めるようにします。ハードウエア回路で作成すると、ソフトで構成する場合の作成途中の時刻の繰り上がりをチェックする必要がありません。
この回路で、parameter MSECRATIO = 20'hF423F　は、ＴＯＰからの設定で小さい数値にすると、テストベンチで早く結果を出すことができます。またハードウエアでの初期化で、２０１３年６月７日２０時にしていますが、ここも適当に変更します。１９８０年が０なので、２０１３年では３３になっています。また、settime が、カウンタ更新と重なると、１クロック待たせるようにしています。

// RTC for FAT32 date and time formats module rtcctl #( parameter MSECRATIO = 20'hF423F )( clk , clkratio,// MHz - 1 year , month , day , hour , minute , sec , settime ,// {set,year[6:0],month[3:0],day[4:0],hour[4:0],minute[5:0],sec[4:0]} reset ); input clk ; input [7:0] clkratio;// MHz - 1 output [6:0] year ; output [3:0] month ; output [4:0] day ; output [4:0] hour ; output [5:0] minute ; output [5:0] sec ; input [32:0] settime ;// {set,year[6:0],month[3:0],day[4:0],hour[4:0],minute[5:0],sec[4:0]} input reset ; // reg usecflg; reg secflg; reg [7:0] clkcount; reg [19:0] uscount; // 1,000,000 us = 1sec reg [6:0] year; reg [3:0] month; reg [4:0] day; reg [4:0] hour; reg [5:0] minute; reg [5:0] sec; reg [2:0] settimef; reg setflg; always@(posedge clk) begin if(reset) begin // clkcount <= 0; uscount <= 0; usecflg <= 0; secflg <= 0; year <= 7'h21;// 2013 month <= 6; day <= 7; hour <= 20; minute <= 0; sec <= 0; settimef <= 0; setflg <= 0; // end else begin settimef[1:0] <= {settimef[0],settime[32]}; if(clkcount == clkratio) begin clkcount <= 0; usecflg <= 1; end else begin clkcount <= clkcount + 1; usecflg <= 0; end // if(usecflg) begin // if(uscount == 20'hF423F)// 999,999 if(uscount == MSECRATIO)// begin uscount <= 0; secflg <= 1; end else begin uscount <= uscount + 1; end end else if(secflg) secflg <= 0; // if(secflg) begin if(settimef[1:0] == 2'b01) settimef[2] <= 1; if(sec >= 6'h3B) begin sec <= 0; if(minute >= 6'h3B) begin minute <= 0; if(hour >= 5'h17)// 23 begin hour <= 0; if((month == 1) || (month == 3) || (month == 5) || (month == 7) || (month == 8) || (month == 10) || (month == 12)) begin if(day >= 5'h1F)// 31 begin day <= 1; if(month != 12) month <= month + 1; else begin month <= 1; year <= year + 1; end end else day <= day + 1; end else if((month == 4) || (month == 6) || (month == 9) || (month == 11)) begin if(day >= 5'h1E)// 30 begin day <= 1; month <= month + 1; end else day <= day + 1; end else begin if(year & 3) begin if(day >= 5'h1C)// 28 begin day <= 1; month <= 3; end else day <= day + 1; end else begin if(day >= 5'h1D)// 29 begin day <= 1; month <= 3; end else day <= day + 1; end end end else hour <= hour + 1; end else minute <= minute + 1; end else sec <= sec + 1; end else begin if((settimef[1:0] == 2'b01) || (settimef[2])) begin if(settimef[2]) settimef[2] <= 0; sec[5:0] <= {settime[4:0],1'b0}; minute[5:0] <= settime[10:5]; hour[4:0] <= settime[15:11]; day[4:0] <= settime[20:16]; month[3:0] <= settime[24:21]; year[6:0] <= settime[31:25]; end end end end endmodule

ＳＰＩ接続のＳＤカード回路をテストするモニタの機能

ここに紹介したＳＤカードのＳＰＩ制御を含む回路( イーサネットも使える ) をテストするモニタは、解凍して得られる SRCs フォルダの、cmbiointf と、fatfscmb フォルダ以下に、ソースがあります。前者 cmbiointf は、bit ファイルに使ったモニタでＦａｔＦｓはありません。後者 fatfscmb は、ＦａｔＦｓと、テストプログラムを入れたもので、ブロックＲＡＭには入りきらない（ 32kバイト）ので、ＤＲＡＭでのみ動作確認できるものです。ですから、bit ファイルで、ＦＰＧＡをコンフィギュレーションしただけでは、ＳＤカードは操作できませんので、以下のようにしてＤＲＡＭで走るソフトをダウンロードして、０ｘ８００００００番地からモニタを走らせます。

ターミナルソフトとして、テラタームを使う場合は（他のターミナルソフトも可）以下の設定にします。ここでは、ＣＯＭ１６になっていますが、ＬＸ９基板のＵＳＢ－ＵＡＲＴのＣＯＭポートに合わせます。( Silicon Labs CP210x USB to UART Bridge )

ＦＰＧＡをコンフィグレーションした直後。Custom の C が文字化けしていますが、これはコンフィギュレーション中、ＬＸ９基板のＵＳＢ－ＵＡＲＴ変換ＩＣへ出力するＦＰＧＡからのＵＡＲＴのＴＸが（Ｌｏｗ）なのでこうなってしまいます。

l コマンドを送ります。（　Ｌの英小文字　）こうしておいて、

TeraTerm から、ＤＲＡＭ上で動作するモニタ、SRCs\fatfscmb\cmbiofintd.mot　を送信します。115200bps none 1stop そして、バイナリにチェックを入れます。バイナリにチェックを入れないと、ファイルを送信後、ＣＲコードを余分に送ってしまうみたいで、このＣＲにモニタが応答して、前回実行コマンド、ｌ　を表示してしまうようです。

「開く」ボタンで、以下のようにファイルを送信します。

送信が終わると、総ロードバイト数などを表示します。

g8000000 (enter) で、ＤＲＡＭにロードしたモニタを実行します。プロンプトにあるように、ＦａｔＦｓでＳＤカードのファイルを操作できるモニタになっています。

ここで、SRCs フォルダ以下のファイルとディレクトリをＳＤカードにコピーし、そのＳＤカードを入れ、mount (enter) と、コマンドを出します

その後、dir (enter) と、コマンドを出すと、ＳＤカードのルートディレクトリのファイルを表示します。ロングファイル名を無効にしているので、ＭＳＤＯＳの短縮形で表示しています。

その他のコマンドとして以下のものが使えますが。ＳＤカードソケットのライトプロテクトスイッチにはまだ対応していません。

**ＳＤカードのファイル操作を行うモニタの追加コマンド**
コマンド	引数	できること	使用例	結果
date (表示)	なし	現在の年月日時分秒の表示	date(enter)	2013/6/7/22:13.24
date (設定)	Y/M/D/H/M/S	年月日時分秒の設定	date 2013/6/7/9:13.24	2013/6/7/9:13.24 になる
mkfile	ファイルパスメモリ先頭,長さ	newfile に、0x8100000 から 0x100 バイトを書く	mkfile newfile 8100000,100	newfile が作成される
mkdir	ファイルパス	newdir を作成	mkdir newdir	newdir が作成される
mkdir	ファイルパス	newdir/subdir を作成	mkdir newdir/subdir	newdir フォルダに subdir が作成される
delete	ファイルパス	newfile を消す	delete newfile	newfile が削除される
mkfile	ファイルパスメモリ先頭,長さ	newdir/newfile に、0x8100000 から 0x100 バイトを書く	mkfile newdir/newfile 8100000,100	newdir/newfile が作成される
fwrite	ファイルパスメモリ先頭,長さ	newfile に0x8100000 から、0x200 を追加	fwrite newfile 8100000,200	newfile に指定データが追加される
mkfile	ファイルパスメモリ先頭,長さ	newdir/newfile に0x8100000 から、0x200 を書く	mkfile newdir/newfile 8100000,200	newdir/newfile に指定データが書かれる
fread	ファイルパスメモリ先頭,長さ,位置	newfile の 0x100 から 0x8100000 に 0x100 読む	fread newfile 8100000,100,180	newfile の 0x180 から 0x8100000 に 0x100 バイト読む

準備中

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