FPGA勉強中です

・前回のプロジェクトに[uart IP]を追加して、PCのターミナルから文字を送受信しました。
・Nios II に UART IP を組み込み、PC とシリアル接続して通信テストを行いました。
・nios側でPCから受け取った1バイトをそのまま送信するエコーバックを実装しました。
・UART 経由の双方向通信が正常に動作することを確認しました。

前回のプロジェクト

https://qiita.com/ShigeoYakuno/items/78f6f9292a7d7631f251
それでは本編です

platform planner で UART IPの追加

・platform planner より「uart」で検索します。
・UART(RS-232 Serial Port)を選択します

・設定はデフォルトで使います。
・念のため、PC側は以下の設定で使いますので合わせます。

・これが完成形になります。

・アドレスマップ

・設定出来たら、Generate HDLを選択して完了

今回使用するポート

・DevkitのPMOD端子の上側(1~6pin)を使用します。
・今回はF13(2pin)とD15(3pin)を使用しました。
・最初はF16(4pin)を使用予定でしたが、nCEOと競合しておりエラーがでました。
・QSFファイルの設定は以下を追加します。

# UART TXD (FPGA⇒FTDI USB-UART)
#set_location_assignment PIN_F16 -to uart0_txd_rxd_txd #nCEOと競合！
set_location_assignment PIN_F13 -to uart0_txd_rxd_txd
set_instance_assignment -name IO_STANDARD "3.3-V LVTTL" -to uart_txd_rxd_txd

# UART RXD (FTDI USB-UART⇒FPGA)
set_location_assignment PIN_D15 -to uart0_txd_rxd_rxd
set_instance_assignment -name IO_STANDARD "3.3-V LVTTL" -to uart_txd_rxd_rxd

FTDIチップ内蔵ケーブル

・FTDIチップ内蔵ケーブルを使います。
・秋月などで買えるUART-USB変換ケーブルを使用しました。
・昔買ったときは1000円台だったのに、今は4000円近くしますね。。。

https://akizukidenshi.com/catalog/g/g105840/
・pinアサインは以下の通りです。

・橙色：TXD　⇒　FPGAのRXD　PIN_D15(PMOD_D2 J8-3)につなぎます
・黄色：RXD　⇒　FPGAのTXD　PIN_F13(PMOD_D1 J8-2)につなぎます
・GNDも忘れずに。

quartusのコンパイル

・トップファイルの作成
・今までのサンプルにUARTのポートの宣言を足します。

module NiosII_Hw_Dev_C10 (
	
	// Reset and Clocks
	input              C10_CLK50M,
	input              C10_RESETN, 
	// LED and Push Button
	input     [3:0]    USER_PB,
	output    [3:0]    USER_LED,
	// UART (追加)
	input              uart0_txd_rxd_rxd,  // UART受信 (FTDI TXD → FPGA)
	output             uart0_txd_rxd_txd   // UART送信 (FPGA → FTDI RXD)
);
	 
	wire [2:0] led;

	// Push button to turn on LED
	assign USER_LED[0] = USER_PB[0];	 
	// LED ON represent counter binary value of 1
	assign USER_LED[3:1] = ~led;
	// Instantiate nios2e
	nios2e u0 (
		.clk_clk                                (C10_CLK50M),                      
		.reset_reset_n                          (C10_RESETN),                
		.led_external_connection_export         (led),
		// UART信号を接続 (追加)
		.uart0_txd_rxd_rxd                      (uart0_txd_rxd_rxd),
		.uart0_txd_rxd_txd                      (uart0_txd_rxd_txd)
	);
	 
endmodule

・この設定でコンパイルし、sofを書き込みます。

BSPの作成

・以下の通りのフォルダ構成にします。
top_project/
├─ nios2e.sopcinfo
└─ software/
　├─ nios_uart_test/
　└─ nios_uart_test_bsp/

・BSPフォルダにて下記を実行してNios II BSPを生成します。
・.sopcinfo（システム構成ファイル）をもとに、Nios II 向けの HAL(BSP) を作り直します

nios2-bsp hal . \
 ../../nios2e.sopcinfo \
 --cpu-name nios2e \
 --set hal.enable_small_c_library true \
 --set hal.enable_reduced_device_drivers true \
 --set hal.max_file_descriptors 4

・public.mk, system.h, linker.x, drivers/, alt_sys_init.cなどが作られます

elfの作成

・ファームウェアサンプルを用意します。
・uartでPCと接続してキーボードからの入力をエコーバックするものにしました。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include "system.h"

int main(void)
{
    printf("=== UART Echo Test ===\n");
    
    // UART0を開く
    int uart = open("/dev/uart_0", O_RDWR);
    if (uart < 0) {
        printf("ERROR: Cannot open UART0\n");
        return 1;
    }
    
    printf("UART Echo ready. Waiting for data...\n");
    
    // ウェルカムメッセージ送信
    const char *msg = "Echo ready. Type something:\r\n";
    write(uart, msg, 30);
    
    // エコーバックループ
    while (1) {
        char c;
        int n = read(uart, &c, 1);
        
        if (n > 0) {
            // 受信した文字をそのまま送り返す
            write(uart, &c, 1);
            // JTAG UARTにも表示
            printf("Received: 0x%02X ('%c')\n", c, c);
        }
    }
    return 0;
}

・次にmakefileを作成します。

cd /cygdrive/d/workspace/cyc10/nios_uart/nios_uart_restored/software/nios_uart_test

nios2-app-generate-makefile \
  --bsp-dir ../nios_uart_test_bsp \
  --src-files nios_uart_test.c

makefileが作成されます。

・makeを実行します

make

・elfが作成されます。

実験開始

・teratermとnios2-terminalを開いておきます。
・コマンドnios2-terminal
・別のnios2-terminalで次のコマンドでelfを書き込みます。

nios2-download -r -g nios_uart_test.elf

・PC側
・「hello world!」とキーボード入力します。
・nios2からそのまま文字がエコーバックするので「hello world!」と表示されれば成功です。

・nios2側
・pcからのascii文字が表示されれば成功です。

まとめ

・Nios II に UART IP を組み込み、PC とシリアル接続して通信テストを行いました。
・nios側でPCから受け取った1バイトをそのまま送信するエコーバックを実装しました。
・UART 経由の双方向通信が正常に動作することを確認しました。

今日はここまで