Hummingbirdv2 E203 移植之固化itcm

由于项目需求，希望将Hummingbird2 E203 SoC移植到Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC 上，核心板是XCU3EG。期间遇到一个大坑，debug足足用了7个小时，惨不忍睹。

一、Flash不够

芯来自己的MCU200T的开发板，有两个Flash：一个是FPGA Flash，用于保存mcs文件，上电时加载硬件电路，另一个是MCU Flash，用于保存软件二进制代码。芯来有自己的SDK做软件调试，软件代码编译成二进制文件后，有三种方式写入E203的指令存储器(itcm)做调试：

ilm：直接将代码写入指令存储器(itcm)，速度最快，但掉电会消失
flash：先保存到mcu flash，然后再拷贝到itcm上执行，掉电不消失
flashxip：直接保存到mcu flash，并读flash运行，速度较慢

但MPSoC只在ARM核的PS端有下载用的FPGA Flash，没有MCU Flash，如果需要掉电保存软件代码，该怎么办呢？

二、修改itcm

E203的指令存储器是通过寄存器实现的，如果我们把它修改成只读存储器ROM，然后预先读入.coe文件，那么就可以和E203一起烧入flash，这样一上电就可以运行代码。

说干就干，那么用哪种IP呢？BRAM还是Distributed ROM? 这得通过代码仔细分析时序：

//读部分逻辑
    reg [DW-1:0] mem_r [0:DP-1];  //DW=32,DP=8192
    always @(posedge clk)
    begin
        if (ren) begin
            addr_r <= addr;
        end
    end
  assign dout_pre = mem_r[addr_r];

这点挺有意思，当可读时，先一拍保存地址addr_r，然后直接读出数据，而且不可读的时候，输出会保持，这点用rom实现起来挺方便，于是便决定用简单的rom实现（先不管写入功能）：

潘多拉的魔盒就此打开，我先用芯来的SDK生成.verilog的代码二进制文件（可以参考这篇文章），然后以.coe文件的方式读入rom。有一点需要注意，.verilog文件还需要调整数据顺序，这里写了一个python脚本，实现转换：

#python hello.verilog
import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('-f','--file',dest='file',type=str,default='hummibird.verilog')

args = parser.parse_args()
file_data = "memory_initialization_radix=16;\nmemory_initialization_vector=\n"
total_len = 0
str_16 = []
with open(args.file,"r",encoding="utf-8") as f:
    for line in f:
        if(line[0]=="@"):
            temp = eval("0x"+line.strip("\n")[1:])
            for i in range(temp - total_len):
                str_16.append("00")
                total_len += 1
        else:
            temp = line.strip("\n").split(" ")
            for i in range(len(temp)):
                str_16.append(temp[i])
                total_len +=1
    for i in range(8-total_len % 8):
        str_16.append("00")

    row = int(total_len//8)+1
    for i in range(row):
        file_data += str_16[i*8+7]+ str_16[i*8+6]+str_16[i*8+5]+str_16[i*8+4]\
                     +str_16[i*8+3]+str_16[i*8+2]+str_16[i*8+1]+str_16[i*8+0]+",\n"
with open("out.coe","w",encoding= "utf-8") as f:
    f.write(file_data)

三、恶梦debug

看似一切完美，指令存储器不需要写入功能，tb仿真应该一切正常。检测了开始的几个周期，确定指令确实正确写入，但之后却一直不输出结果。好在另一台电脑有备份，跑一波正确的版本，发现2.5us之后，指令输出就出错了，为之奈何？说实话，当时真没勇气搞定这个bug，下了很大决心才决定回溯信号。

从这个output找，到底那个input出了问题，模块之间不停套娃。在这个过程中，还发现一个vivado的彩蛋：vivado和modelsim在仿真时不会保存所有信号，如果要查看其他信号的变化，就需要重新仿真，这一点不如iverilog和vcs方便；但vivado有个彩蛋是，它保存了仿真最后时刻所有信号的信息，而且将鼠标停留在代码上的信号，会显示该信号的数值（如果不显示，可以在scope菜单找到这个例化模块）。

tip: 仿真到bug出现的时刻点，然后可以在代码中查看此刻各信号的数值，大大加快速度。

第一阶段回溯到了寄存器堆regfile某个地址数据没有对上，接着看它是什么时候发生错误反转，再仿真都这个时刻，最后回溯最终是那个输入发生错误。

经过漫长的回溯，最终找到了数据存储器，scope一看，进入例化模块是rom！原来itcm和dtcm用的是同一个module，这样itcm改成了rom，dtcm也就不能写入！抽丝剥茧，终于搞定。

只需要另外添加一个itcm的module，分类例化即可，问题解决。

四、能不能加入写功能？

itcm的写功能主要用于调试，借助其SDK，通过Jtag口将代码直接传入itcm，方便debug，否则每次修改代码都需要重新烧一遍板子，非常费时费力。

写逻辑也挺有意思，除了常见的写使能we，还有mask信号wem，来确定32bit里面，哪几位8bit需要修改。分析了一下时序，动了些小聪明，发现可以用Dualport RAM实现。

module sirv_sim_ram_itcm
#(parameter DP = 512,
  parameter FORCE_X2ZERO = 0,
  parameter DW = 32,
  parameter MW = 4,
  parameter AW = 32 
)
(
  input             clk, 
  input  [DW-1  :0] din, 
  input  [AW-1  :0] addr,
  input             cs,
  input             we,
  input  [MW-1:0]   wem,
  output [DW-1:0]   dout
);

 reg [AW-1:0] addr_r;
 wire [MW-1:0] wen;
 wire ren;

 wire [DW-1:0] dout_pre,spo,din_temp,wen_ext;
assign din_temp = (wen_ext & din) | (~wen_ext &spo);  //下一时刻更新数据
 assign wen = ({MW{cs & we}} & wem);
 assign wen_ext={ {8{wen[7]}},{8{wen[6]}},{8{wen[5]}},{8{wen[4]}},{8{wen[3]}},{8{wen[2]}},{8{wen[1]}},{8{wen[0]}}};

    dist_mem_gen_rewr u_rewr(
        .a(addr),           //写地址
        .d(din_temp),   //写数据
        .dpra(addr_r),  //读地址
        .clk(clk),
        .we(we),       //读使能
        .spo(spo),    //写地址的当前数据，需要结合wen和din得到下一时刻的更新数据din_temp
        .dpo(dout_pre)   //读数据
    );

    assign ren = cs & (~we);
    always @(posedge clk)
    begin
        if (ren) begin
            addr_r <= addr;
        end
    end
endmodule

这样就不仅能烧录flash，而且运行时可以修改代码做测试，最后可以将测试好的代码重新烧写进flash，方便开发。

五、能不能用BRAM？

总感觉写功能的实现挺low，是否更快捷的方式？查看xilinx关于ram的说明文档发现bram自带wea功能，非常容易替换。

module sirv_sim_ram 
#(parameter DP = 512,
  parameter FORCE_X2ZERO = 0,
  parameter DW = 32,
  parameter MW = 4,
  parameter AW = 32 
)
(
  input             clk, 
  input  [DW-1  :0] din, 
  input  [AW-1  :0] addr,
  input             cs,
  input             we,
  input  [MW-1:0]   wem,
  output [DW-1:0]   dout
);
    reg [AW-1:0] addr_r;
    wire [MW-1:0] wen;
    wire ren;
    wire [DW-1:0] dout_pre;
    
    assign ren = cs & (~we);
    assign wen = ({MW{cs & we}} & wem);

    blk_mem_gen_itcm u_dtcm(
        .clka(clk),
        .addra(addr),
        .dina(din),
        .wea(wen),
        .clkb(clk),
        .addrb(addr),
        .doutb(dout_pre),
        .enb(ren)
    );

endmodule

几个特别注意点：

itcm的位宽是64bit，长度8192；dtcm的位宽是32bit，长度是16384，这一点在e203_define.v和config.v里面有说明，添加IP的时候要注意这两个不同点。
Basic 勾选 Write Enable，Byte Size 选8bits
Port A Options ，Enable Port Type 选择“Always Enabled”
PortB Options，不要选 Primitives Output Register
Summary 确认 PortB Latency为1 Cycles

最后附上这些模块的代码，区分了itcm和dtcm，上层例化的时候要注意，相应的ram ip设置可以参考截图。

Hummingbirdv2 E203 移植之固化itcm

一、Flash不够

二、修改itcm

三、恶梦debug

四、能不能加入写功能？

五、能不能用BRAM？

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