Atlas-SoCで遊んでみる準備をした

なんか，まわりでFPGA+SoCな環境はZynq一色なのですが，Atlas-SoCで遊んでみる準備をしてみました．
Atlas-SoCが何かについては，Atlas-SoC素晴らしいんじゃないのが分かりやすいです．
Xilinxにおける(最近はAlteraにも対応しているけど)Xillinux的な便利な環境という感じ．

で，開封して動かしはじめるまでは，すぐなのだけど，
自分のハードウェアを動かすにはどうするの？というところが分からないと遊びはじめられません．

公式サイトRocketBoards.orgをみながら進めてみたものの，いくつかのポイントでハマったりつまづいたりしたのでメモです．

まずは合成

Linuxはgccも入ったすばらしい環境だったので，そのまま使うことにしてハードウェア部分だけ変更できればいいかな，という方針．まずはサンプルと同じものを合成する，というところからはじめたいのですが...

準備

公式サイトのCompiling Hardware Design and Preloaderに手順がありますので，これに従います．環境はQuartusII 15.0.2 WebEdtion + SoC EDS 15.0.1，OSはCentOS 7.1です．

CentOS7でSoC EDSを使う

そういえば，私，SoC EDSが，"はじめまして"でした．Linuxの場合

 export SOCEDS_DEST_ROOT=/opt/Altera/15.0/embedded
 source /opt/Altera/15.0/embedded/env.sh

で各種ツールへの環境変数をセットできます．

Procedureに従ってソース一式をダウンロード

これは，公式の手順Compiling Hardware Design and Preloader - 3. Procedureのまま．wgetして展開すればOKです．

ビルド

make all

でビルド...できませんでした．

ビルドできない理由(1) - StratixVなデバイス情報が必要

makeスクリプト内部では，Qsysプロジェクトを作成→必要なIPのインスタンス生成→IPの接続，SoCのビルド→QuartusIIで合成→...という処理が自動的に進行するはずなのですが，altera_hps(ARMのHW IP)をQsysでインスタンシエーションする時に固まってしまいます．で調べてみると，AlteraのForumでも同じ苦しみを味わっている方がGenerating a Qsys System with qsys-script．一番最後の回答に示されているURLを辿ってみると，答えがWhy can't I create and HPS instance with qsys-script?にありました．

Stratixのデバイスパッケージをインストールしてね

ってことらしいのですが，WebEditionにはStratixのデバイスパッケージはインストールできません．仕方がないので，デバイスパッケージ(qdz)を手動で追加．qdzは単なるzipファイルなので，

 cd /opt/Altera/15.0/
 unzip stratixv-15.0.0.145.qdz

と展開しました．

ビルドできない理由(2) - 時限付きのIPコアにより想定外のsofファイルが生成される

サンプルのハードウェアはFFTをFPGAにオフロードできるようになっている(と思われる)のですが，その処理を司どるIPコアが，"OpenCore Plus feature"のために，WebEditionでは時限付きでしか利用できません．通常，QuartusIIでは合成，配置配線の結果としてFPGA用のビットストリーム"ほげほげ.sof"を生成するのですが，時限付きのコアを含むビットストリームでは"ほげほげ_time_limited.sof"が生成されるようです．(具体的には，ATLAS_SOC_GHRD/output_files/ATLAS_SOC_GHRD_time_limited.sof)

Altera-SoCではHPSからFPGAをコンフィギュレーションする際に，sofから変換して作るrbfというファイルを使用するのですが，想定した"ほげほげ.sof"ができていないので，rbfが生成できなかった，といわけです．rbfは，qaurtus_cpfというツールで作るのですが，単純に"ほげほげ_time_limited.sof"を"ほげほげ.sof"に変換して胡麻化そうとしても，時限付きコアが入っていると言って受け付けてくれません...よくできてる

というわけで，fftなIPコアを使わないことにします．fftなIPコアのインスタンスを生成しているscripts/qsys_add_fft128_components.tclというスクリプトファイルを無効にすることにしました．

 mv scripts/qsys_add_fft128_components.tcl scripts/qsys_add_fft128_components.tcl.old

make allが完了したら

以上のハックをした結果，無事make allで回路情報一式とPreloaderイメージができあがりました．

オリジナル回路の追加

王道としては，Qsysにぶらさげることができるモジュールを作る→インスタンス生成するtclスクリプトを用意，というのがよいのでしょうが，まずは単純にLチカとかしてみたいですよね．

QsysなSoCシステムはhdl_src/ghrd_top.vというVerilogでインスタンシエーションされているにすぎませんので，ghrd_top.vをいじれば，好きなことができます．
GPIOポートの出力をLEDに接続している

 assign fpga_led_pio = fpga_led_internal;

をコメントアウトして，代わりに，

reg[31:0] debug_counter = 32'h0;
assign fpga_led_pio = debug_counter[22:15];
always @(posedge fpga_clk1_50)
begin
        debug_counter <= debug_counter + 1;
end

としてみました．make allして起動すると，無事LEDが点滅．これでハードウェアをいじるための第一ステップは完了です．

以下，後で詳しく書く

HPSとFPGAのやりとり

ここまでで，好きなモジュールを組み込むためのツールの使い方は分かりました．で，好きなモジュールを実装すればいいのですが，折角なのでLinuxから制御したり，データの共有をしたりしたいですよね．

Liteweight H2F

/sys/class経由

気分はRaspberryPiのGPIOアクセスと同じ

mmapする

0xff20_000

割込み

/sys/classを使うのが簡単です．

H2F

64KBのRAMに接続されています．0xc0000000をmmapして読み書きできます．

RAMをデュアルポートに変更，追加したポートのアドレスにLinuxからのGPIOを，データ出力にLEDを接続．Linuxからメモリに書き込んだ値がLEDに出力されることで，Linuxからのメモリアクセスができていること，FPGAでもちゃんと使えることが実験的に確認できました．