手把手教你在昇腾平台上搭建PyTorch训练环境

Posted 2023-05-26 华为云开发者社区

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了手把手教你在昇腾平台上搭建PyTorch训练环境相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：在昇腾平台上运行PyTorch业务时，需要搭建异构计算架构CANN软件开发环境，并安装PyTorch 框架，从而实现训练脚本的迁移、开发和调试。

本文分享自华为云社区《手把手教你在昇腾平台上搭建PyTorch训练环境》，作者：昇腾CANN。

PyTorch是业界流行的深度学习框架，用于开发深度学习训练脚本，默认运行在CPU/GPU上。在昇腾AI处理器上运行PyTorch业务时，需要搭建异构计算架构CANN（Compute Architecture for Neural Networks）软件开发环境，并安装PyTorch 框架，从而实现训练脚本的迁移、开发和调试。

下面带大家了解如何在昇腾平台上快速安装驱动固件、CANN软件及PyTorch框架。

环境检查

在昇腾平台上安装驱动和固件前，首先需要检查安装环境的NPU是否正常在位，并确认操作系统版本与内核版本是否满足对应的版本配套要求。

以Atlas 800 训练服务器（型号：9010）（昇腾AI处理器型号Ascend 910）为例，检查NPU是否正常在位可执行lspci | grep d801命令，如果服务器上有 N路NPU，回显N行含“d801”字段，则表示NPU正常在位。

安装驱动和固件

1.创建驱动运行用户HwHiAiUser。

groupadd -g 1000 HwHiAiUser 
useradd -g HwHiAiUser -u 1000 -d /home/HwHiAiUser -m HwHiAiUser -s /bin/bash

2.安装驱动和固件。

在昇腾社区的“固件与驱动”下载页面下载配套产品的固件驱动软件，并上传到服务器任意目录，然后参考如下命令进行固件驱动软件包的安装，需要注意，需要以root用户进行安装。

a.为软件包增加可执行权限。

chmod +x Ascend-hdk-910-npu-driver_23.0.rc1_linux-x86-64.run
chmod +x Ascend-hdk-910-npu-firmware_6.3.0.1.241.run

b.安装驱动。

./Ascend-hdk-910-npu-driver_23.0.rc1_linux-x86-64.run --full --install-for-all

默认安装路径为“/usr/local/Ascend”，出现类似如下回显信息，说明安装成功。

Driver package installed successfully!复制

您还可以通过执行npu-smi info命令查看，出现类似如下信息，说明驱动加载成功。

c.安装固件。

./Ascend-hdk-910-npu-firmware_6.3.0.1.241.run --full

出现类型如下回显信息，说明安装成功。

Firmware package installed successfully! Reboot now or after driver installation for the installation/upgrade to take effect

3.驱动固件安装完成后，重启系统。

reboot

安装CANN软件依赖

CANN软件安装过程需要下载相关依赖，请确保安装环境能够连接网络，并已配置软件源，以下步骤以root用户操作为例。

1. 安装第三方依赖

Ubuntu系统（Debian、UOS20、Linux等系统操作一致）：

apt-get install -y gcc g++ make cmake zlib1g zlib1g-dev openssl libsqlite3-dev libssl-dev libffi-dev unzip pciutils net-tools libblas-dev gfortran libblas3

openEuler系统（EulerOS、CentOS、BCLinux等系统操作一致）：

yum install -y gcc gcc-c++ make cmake unzip zlib-devel libffi-devel openssl-devel pciutils net-tools sqlite-devel lapack-devel gcc-gfortran

2. 安装Python及其依赖

以安装Python 3.7.5为例。

1）通过wget命令下载python3.7.5源码包。

wget https://www.python.org/ftp/python/3.7.5/Python-3.7.5.tgz

2）解压缩源码包

tar -zxvf Python-3.7.5.tgz

3）源码编译安装Python。

​cd Python-3.7.5
./configure --prefix=/usr/local/python3.7.5 --enable-loadable-sqlite-extensions --enable-shared
make
make install

以--prefix=/usr/local/python3.7.5路径为例进行说明。执行配置、编译和安装命令后，安装包在/usr/local/python3.7.5路径。

4）设置python3.7.5环境变量。

#用于设置python3.7.5库文件路径
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/python3.7.5/lib:$LD_LIBRARY_PATH
#如果用户环境存在多个python3版本，则指定使用python3.7.5版本
export PATH=/usr/local/python3.7.5/bin:$PATH

5）检查是否安装成功。

​python3 --version
pip3 --version

返回相关版本信息，则说明安装成功。

6）安装pip依赖。

pip3 install attrs numpy decorator sympy cffi pyyaml pathlib2 psutil protobuf scipy requests absl-py

安装CANN开发套件包

1. 从昇腾社区“CANN”产品页，根据操作系统架构下载CANN开发套件包。

例如“Ascend-cann-toolkit_6.3.RC1_linux-x86_64.run”，并将其上传到安装环境任意目录。

2. 安装CANN开发套件包。

# 添加可执行权限
chmod +x Ascend-cann-toolkit_6.3.RC1_linux-x86_64.run
# 校验软件包的一致性和完整性
./Ascend-cann-toolkit_6.3.RC1_linux-x86_64.run --check
# 执行安装命令
./Ascend-cann-toolkit_6.3.RC1_linux-x86_64.run --install --install-for-all

安装完成后，若显示如下信息，则说明软件安装成功：

[INFO] xxx install success

xxx表示安装的实际软件包名。

安装PyTorch

CANN软件包安装完成后，就可以进行PyTorch的安装了。开发者可以选择PyTorch 1.8.1或PyTorch 1.11.0版本，PyTorch安装成功后再安装APEX混合精度模块。在安装Pytorch前，需要先安装以下依赖。

pip3 install wheel
pip3 install typing_extensions

安装PyTorch 1.8.1

1）安装官方torch包。

x86_64架构

wget https://download.pytorch.org/whl/cpu/torch-1.8.1%2Bcpu-cp37-cp37m-linux_x86_64.whl
pip3 install torch-1.8.1+cpu-cp37-cp37m-linux_x86_64.whl

aarch64架构

wget https://repo.huaweicloud.com/kunpeng/archive/Ascend/PyTorch/torch-1.8.1-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl
pip3 install torch-1.8.1-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl

2）安装昇腾提供的PyTorch适配插件torch_npu。

x86_64架构

wget https://gitee.com/ascend/pytorch/releases/download/v5.0.rc1-pytorch1.8.1/torch_npu-1.8.1.post1-cp37-cp37m-linux_ x86_64.whl
pip3 install torch_npu-1.8.1.post1-cp37-cp37m-linux_ x86_64.whl

aarch64架构

​wget https://gitee.com/ascend/pytorch/releases/download/v5.0.rc1-pytorch1.8.1/torch_npu-1.8.1.post1-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl
pip3 install torch_npu-1.8.1.post1-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl

此处以5.0.rc1版本为例，实际请选择CANN配套的PyTorch插件版本进行安装。

3）安装对应框架版本的torchvision。

pip3 install torchvision==0.9.1

4）验证是否安装成功。

python -c "import torch;import torch_npu; a = torch.ones(3, 4).npu(); print(a + a);"

如果输出包含如下关键信息则说明PyTorch安装成功。

[[2., 2., 2., 2.],
  [2., 2., 2., 2.],
  [2., 2., 2., 2.]]

安装PyTorch 1.11.0

1）安装官方torch包。

x86_64架构

wget https://download.pytorch.org/whl/cpu/torch-1.11.0%2Bcpu-cp37-cp37m-linux_x86_64.whl
pip3 install torch-1.11.0+cpu-cp37-cp37m-linux_x86_64.whl

aarch64架构

wget https://repo.huaweicloud.com/kunpeng/archive/Ascend/PyTorch/torch-1.11.0-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl
pip3 install torch-1.11.0-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl

2）安装昇腾提供的PyTorch适配插件torch_npu。

x86_64架构

wget https://gitee.com/ascend/pytorch/releases/download/v5.0.rc1-pytorch1.11.0/torch_npu-1.11.0-cp37-cp37m-linux_ x86_64.whl
pip3 install torch_npu-1.11.0-cp37-cp37m-linux_ x86_64.whl

aarch64架构

wget https://gitee.com/ascend/pytorch/releases/download/v5.0.rc1-pytorch1.11.0/torch_npu-1.11.0-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl
pip3 install torch_npu-1.11.0-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl

3）安装对应框架版本的torchvision。

pip3 install torchvision==0.12.0

4）验证PyTorch是否安装成功。

python -c "import torch;import torch_npu; a = torch.ones(3, 4).npu(); print(a + a);"

如果输出包含如下关键信息则说明PyTorch安装成功。

[[2., 2., 2., 2.],
  [2., 2., 2., 2.],
  [2., 2., 2., 2.]]

安装APEX混合精度模块

APEX混合精度模块是一个集优化性能、精度收敛于一身的综合优化库，可以提供不同场景下的混合精度训练支持。

1. 获取昇腾适配的APEX源码以及原生APEX代码。

# 获取昇腾适配的APEX源码
git clone -b master https://gitee.com/ascend/apex.git
# 在apex目录下获取原生APEX代码
cd apex
git clone https://github.com/NVIDIA/apex.git

2. 切换到原生APEX代码对应分支。

cd apex
git checkout 4ef930c1c884fdca5f472ab2ce7cb9b505d26c1a
cd ..

3. 在昇腾适配APEX源码目录的scripts路径下生成昇腾适配全量代码。

cd scripts
bash gen.sh

4. 编译生成昇腾适配的APEX二进制安装包。

cd ../apex
python3 setup.py --cpp_ext --npu_float_status bdist_wheel

5. 安装APEX。

86_64架构

cd dist
pip3 install apex-0.1_ascend-cp37-cp37m-linux_ x86_64.whl

aarch64架构

cd dist
pip3 install apex-0.1_ascend-cp37-cp37m-linux_aarch64.whl

到此，PyTorch训练环境就搭建完毕了，开发者可以将PyTorch网络脚本迁移到昇腾平台执行训练，使用昇腾平台的强大算力。

关于更多文档介绍，可以在昇腾文档中心[1]查看，您也可在“昇腾社区在线课程[2]”板块学习视频课程，学习过程中的任何疑问，都可以在“昇腾论坛[3]”互动交流！

相关参考

[1]昇腾文档中心

[2]昇腾社区在线课程

[3]昇腾论坛

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手把手教你在FPGA上搭建一个Cortex-M3软核

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转自 | 电子电路开发学习

本文将手把手教你如何基于ARM DesignStart计划，在FPGA上搭建一个Cortex-M3软核处理器。

以Xilinx Artix-7™系列FPGA为例，介绍如何定制一颗ARM Cortex-M3 SoC软核，并添加GPIO和UART外设，使用Keil MDK环境开发应用程序，Jlink下载、调试ARM程序，最终的实现效果是LED闪烁，串口输出Hello World信息。

都有哪些内容？

必要的基础知识
Cortex-M3 FPGA IP核下载
硬件准备
软件准备
Cortex-M3软核搭建

- - 新建Vivado工程
  - 添加IP核搜索路径
  - 创建BlockDesign设计
  - 添加IP核，GPIO和UART外设
  - SWD接口引出
  - 外设基地址分配
  - 管脚分配
  - Bit流文件生成下载

Cortex-M3软核程序设计

- - 新建Keil工程
  - GPIO输入输出控制实现
  - 串口数据发送和接收实现
  - 延时函数实现
  - Flash编程算法生成
  - 下载运行

开源地址
参考资料

1.必要的基础知识

为了更快的完成在FPGA上实现ARM Cortex-M3软核，一些必要的基础知识还是要有的！

FPGA开发基础知识，如FPGA开发流程，设计、综合、布局、布线、约束、下载
Xilinx Vivado开发环境使用基础，如BlockDesign设计方式，管脚分配，Bit流文件生成与下载
ARM Cortex-M3内核的使用基础，如STM32、MM32、GD32、CH32等微控制器的开发。
Keil-MDK开发环境的使用基础，基本的工程建立、编译、下载流程。

如果以上知识都具备，那么，恭喜你！可以在2小时内完成ARM Cortex-M3软核在FPGA上的实现。

2.Cortex-M3 FPGA IP核下载

首先，我们需要从ARM官网上获取ARM Cortex-M3 FPGA软核IP包。

下载地址如下：

https://silver.arm.com/browse/AT426

文件名称：Cortex-M3 DesignStart FPGA-Xilinx edition(r0p1-00rel0)

文件大小：7.52MB

MD5SUM：cd67536c29023429cde47130d51b6f49

官网下载需要先注册账号，如果下载速度很慢，可以在公众号后台回复：220318，获取下载链接，复制到浏览器下载。

ARM官网

压缩包解压之后，共有4个文件夹：

压缩包内容

各个文件夹存放的内容：

docs

存放ARM Cortex-M3处理器参考手册、DesignStart FPGA版本使用说明、基于Arty-A7开发板的顶层BlockDesign框图等文件。

hardware

存放基于Digilent Arty-A7开发板的Vivado工程，顶层BlockDesign文件，管脚约束文件，Testbench文件等。

software

存放Keil-MDK工程，SPI Flash的编程算法文件等。

vivado

包括DesignStart Cortex-M3 Xilinx FPGA版本的IP核文件，其中Arm_ipi_repository文件夹就是内核源文件了，IP文件内容已经加密，没有可读性。

IP核源码

3.硬件准备

为了完成DS CM3在FPGA上的搭建，我们至少需要以下硬件：

一块Artix-7™开发板，用于构建Cortex-M3软核SoC，我使用的是正点原子达芬奇Pro开发板，FPGA型号为XC7A100T。
Xilinx FPGA下载器，用于下载软核Bit流到FPGA，如Platform Usb Cable，JTAG-HS2/HS3等。
ARM Cortex-M3调试器，用于调试ARM核程序下载和调试，如JlinkV9，Jlink-OB等。

官方的DS CM3 IP核是基于Digilent的Arty-A7开发板，FPGA型号为XC7A35T/100T，Vivado版本为v2019.1，如果你手头正好有这块开发板，那么可以直接使用官方提供的示例工程。

Digilent Arty-A7开发板：

arty-a7开发板

正点原子达芬奇Pro开发板：

正点原子达芬奇Pro开发板

4.软件准备

Xilinx Vivado开发环境，官方建议版本为2018.2以上，我使用的是2018.3版本
Keil MDK开发环境，如5.33版本
DS_CM3的Keil器件包
从Keil官网上下载DesignStart Cortex-M3所专用的器件支持包，下载链接如下：
https://keilpack.azureedge.net/pack/Keil.V2M-MPS2_DSx_BSP.1.1.0.pack

5.Cortex-M3软核搭建

准备好以上软硬件，就可以开始Cortex-M3软核的搭建了。

首先，新建一个文件夹，命名为cortex_m3_on_xc7a100t，用于存放本次示例所有的工程文件，并新建以下几个文件夹：

目录结构

每个文件夹的功能：

bd文件夹
用来存放BlockDesign设计
cm3_core文件夹
用来存放的是ARM Cortex-M3内核IP核文件，
doc文件夹
用来存放设计文档
flash文件夹
用来存放生成的bit和mcs文件
rtl文件夹
用来存放用户设计的verilog源文件
xdc文件夹
用来存放管脚、时序约束文件

其中cm3_core文件夹，需要将官方压缩文件文件中的Arm_ipi_repository文件夹复制过来，路径为AT426-BU-98000-r0p1-00rel0\\vivado\\Arm_ipi_repository

以上文件夹准备好之后，就可以开始新建工程了。

5.1 新建Vivado工程

打开Vivado 2018.3，打开工程创建向导，输入工程名称，工程的存放路径为之前我们新建的文件夹。

新建工程

选择FPGA芯片的完整型号：XC7A100TFGG484。

选择芯片型号

最终创建完成之后的工程目录

Vivado工程目录

5.2 添加IP核搜索路径

为了能在BlockDesign中搜索到ARM Cortex-M3处理器IP核，我们需要把ARM 软核IP所在的路径添加到搜索路径。

添加到搜索路径

5.3 创建BlockDesign设计

为了方便后续使用图形化的方式连接各IP核，我们采用BlockDesign图形化的设计方式，这样可以快速的搭建出一颗定制化的软核处理器。

新建BlockDesign，命名为cm3_core，保存到最初创建的bd文件夹中。

在画布中添加Cortex-M3处理器核：

添加ARM核

双击Cortex-M3 IP核进行一些基本配置，我们不需要Trace功能，选择No Trace，使用SWD接口调试，禁用JTAG端口：

配置ARM核

指令空间和数据空间大小，这里设置成64KB，都不进行初始化。

ITCM核DTCM配置

5.4 添加一些必要的IP核

时钟PLL
用于提供给内核、总线、外设时钟，这里我们配置成50MHz单端输入，PLL输出配置成50MHz，如果时钟频率设置更高，综合后会提示WNS，TNS时序不满足，可能会影响系统的正常运行。
处理器复位IP
用于提供内核、外设、互联组件所需要的复位信号，不需要进行定制，保持默认设置。
总线互联IP
Cortex-M3内核为AHB总线，而且内部已经转换成了AXI3总线，而Xilinx官方提供的GPIO/UART等外设IP核是AXI4-Lite总线，所以需要添加一个总线互联矩阵，用于将不同协议进行转换，从机数量配置为1，主机数量配置为2，连接到处理器的SYS总线。
基本逻辑门IP
Cortex-M3内核需要低电平复位，而复位IP输出为高电平复位，需要在中间插入一个非门来进行转换。
常量IP
本次软核搭建不涉及中断部分，所以IRQ和NMI都给定常量0即可，如果需要将中断接入处理器，可以通过Concat核将多个中断源合并成一个连接到IRQ。

将以上IP添加到BlockDesign画布中，并按照下图进行连接：

原理图连接

从官方手册中可以知道，ARM提供的软核IP中已经包括了ITCM和DTCM存储器，所以我们无需添加外部的BRAM来作为程序和数据的存储区。

Cortex-M3内核结构

内核中提供ITCM和DTCM都是基于RAM实现，这也就意味着后续我们使用Keil下载程序只是下载到RAM中，掉电数据会丢失。

至此，ARM Cortex-M3处理器内核就搭建完成了，下面来添加GPIO和UART外设。

5.5 添加GPIO和UART外设

一些常用的单片机，如STM32，芯片内部的TIM、UART、SPI、CAN等外设一般是固定数量的，而我们使用FPGA来搭建ARM软核SoC就比较灵活了，如果你不需要SPI，那就不用添加SPI外设，需要10个UART就添加10个UART，外设配置比较灵活，当然这些外设都是基于FPGA逻辑资源实现的，实际添加的数量会受限于FPGA芯片的逻辑资源大小。

下面以添加一组AXI GPIO和一组AXI UART为例，介绍如何使用ARM软核来控制这两个外设。

Xilinx官方提供的AXI GPIO外设具有以下特性：

内部有两个通道，通道1和通道2，每个通道最多支持32个管脚
每个管脚可以配置成输入或输出模式
每个管脚可以设置复位初值
支持中断输出

提供的AXI UART外设有以下特性：

全双工
支持5-8位数据位
支持奇偶校验
可配置波特率110-230400

这里我们将GPIO配置成双通道，通道1为输出模式，低4位用于连接LED，通道2为输入模式，低4位用于连接按键。

GPIO配置

UART配置成115200波特率，8位数据位，无奇偶校验。

UART配置

配置完成之后，将它们连接的到互联IP的主机接口上：

原理图连接

这两组IP的时钟可以和处理器使用同样的时钟，复位可以使用复位IP输出的外设复位信号。

关于AXI GPIO和AXI UART的详细使用，可以查看官方文档：

pg144-axi-gpio.pdf
https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_gpio/v2_0/pg144-axi-gpio.pdf
pg142-axi-uartlite.pdf
https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_uartlite/v2_0/pg142-axi-uartlite.pdf

5.6 SWD接口的引出

官方的DesignStart IP核资料中，除了Cortex-M3处理器，还有一个DAP-Link调试核，如果使用DAP-Link调试器需要添加这个IP核。

DAP-Link

这里我们不使用DAP-Link调试器，而是使用Jlink SWD模式。SWD模式一共需要两根线，一个是SWCLK时钟信号，一个是SWDIO双向数据信号，处理器提供了3个管脚：SWDI，SWDO和SWDOEN，我们还需要实现一个双向端口模块。

基于IOBUF原语实现的双向端口模块，内容如下：

module swdio_tri_buffer(
    //Inputs
    input swd_o,
    input swd_oe,

    //Outputs
    output swd_i,

    //Inouts
    inout swd_io
);

IOBUF swd_iobuf_inst(
    .O(swd_i),
    .I(swd_o),
    .IO(swd_io),

    .T(!swd_oe)
);

endmodule

将它添加到我们的设计中。

SWD接口连接

最终的BlockDesign设计如下图所示：

原理图连接

5.7 分配外设基地址

添加完外设IP之后，我们还需要对外设进行基地址和空间分配，在地址编辑框，右键选择自动分配。

基地址分配

分配完成之后，使用设计验证（Validate Design）功能，可以检查当前BlockDesign设计连接的合法性。

验证设计

5.8 生成Wrapper并例化到顶层

为了方便后续添加自定义的FPGA逻辑模块，我们将Cortex-M3软核处理器作为一个处理器例化到顶层设计中。

在BlockDesign源文件上右键，先选择Generate Output Products，耐心等待生成完成之后，选择Create HDL Wrapper。

生成Wrapper

之后就会生成一个_wrapper的verilog文件。

新建顶层文件top_hdl.v并保存到rtl文件夹，将_wrapper例化到顶层。

module top_hdl(
    //Inputs
    input clk,
    input rst_n,
    input swclk,
    input uart_rxd,
    input [3:0] sw,

    //Outputs
    output [3:0] led,
    output uart_txd,

    //Inouts
    inout swdio
);

cm3_core_wrapper cm3_core_wrapper_ut0(
    //Inputs
    .cm3_clk(clk),
    .cm3_resetn(rst_n),
    .cm3_gpio_in_tri_i(sw[3:0]),
    .cm3_swclk(swclk),
    .cm3_uart_rxd(uart_rxd),

    //Outputs
    .cm3_gpio_out_tri_o(led[3:0]),
    .cm3_uart_txd(uart_txd),

    //Inouts
    .cm3_swdio(swdio)
);

endmodule   //top_hdl end

5.9 管脚分配

综合（Synthesis）完成之后，使用Vivado的图形化工具进行管脚分配，尤其注意要将SWDIO和SWDCLK引出到排针管脚上，方便后续使用外接的Jlink调试器进行ARM程序下载。

分配管脚

或者直接新建XDC文件，使用约束语句进行管脚分配。

部分约束语句：

set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports clk]
set_property PACKAGE_PIN V13 [get_ports swclk]
set_property PACKAGE_PIN V14 [get_ports swdio]
set_property PACKAGE_PIN E14 [get_ports uart_rxd]
set_property PACKAGE_PIN D17 [get_ports uart_txd]
set_property PACKAGE_PIN U7 [get_ports rst_n]
set_property PACKAGE_PIN V9 [get_ports led[3]]
set_property PACKAGE_PIN Y8 [get_ports led[2]]
set_property PACKAGE_PIN Y7 [get_ports led[1]]
set_property PACKAGE_PIN W7 [get_ports led[0]]
set_property PACKAGE_PIN T4 [get_ports key[3]]
set_property PACKAGE_PIN T3 [get_ports key[2]]
set_property PACKAGE_PIN R6 [get_ports key[1]]
set_property PACKAGE_PIN T6 [get_ports key[0]]

如果你的板子和我的（正点原子达芬奇Pro）一样，那么可以直接使用以上管脚约束。

如果你分配的时钟管脚不是FPGA的全局时钟管脚，需要添加BUFG原语进行缓冲。

5.10 Bit流文件生成和下载

我的板子使用的是QSPI Flash，为了提高下载和启动速度，在生成Bit流时，配置生成选项：数据压缩、50M读取速度，4位数据线。

生成Bit流配置

或者直接使用XDC语句进行约束：

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]
set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]
set_property CFGBVS VCCO [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]

以上约束不是必须的，只是为了提高下载和配置速度。

耐心等待工程综合完成，生成Bit流文件，综合的速度和处理器主频、核心数有关。

和常规的FPGA下载方式一样，将生成的软核Bit文件通过Xilinx下载器下载到FPGA内部，先不要固化到外部SPI Flash 。

手头没有Xilinx下载器的，可以参考之前的文章，自己做一个JTAG-HS2下载器！

开源、低成本的Xilinx FPGA下载器

5.11 Jlink连接测试

下载完成之后，现在FPGA内部运行的就是一颗基于ARM Cortex-M3的软核处理器了，使用Jlink等调试工具可以连接到芯片。

将Jlink调试器的SWCLK和SWDIO连接到我们分配的管脚V13和V14上。

手头没有Jlink的，也可以参考之前的文章，自己做一个Jlink-OB！

手把手教你制作Jlink-OB调试器

使用Keil开发DesignStart Cortex-M3软核的程序，需要先安装一个DesignStart专用的器件包。

下载地址如下：

https://keilpack.azureedge.net/pack/Keil.V2M-MPS2_DSx_BSP.1.1.0.pack

打开一个STM32 Keil工程，器件修改为刚刚安装的ARM DS_CM3，在Option->Debug-Setting界面中选择SWD方式，第一次连接会提示需要选择一个器件，这里选择Cortex-M3：

选择器件型号

如果以上配置均正确，就能看到已经连接到的ARM Cortex-M3核心。如果没有，说明FPGA工程配置有错误，需要确认是否和以上配置流程一致。

连接到ARM核心

至此，ARM Cortex-M3软核基本搭建完成，接下来我们使用Keil来编写ARM核的程序，实现GPIO和UART的控制。

6.Cortex-M3软核程序设计

和常规的ARM Cortex-M3内核单片机开发流程类似，使用Keil新建工程，源文件，根据外设使用手册，读写指定的寄存器实现GPIO的控制，UART数据写入，编译下载，调试。

在之前创建的cortex_m3_on_xc7a100t文件夹下，新建mdk_prj文件夹，用于保存Keil-MDK的工程，并新建以下3个文件夹：

application        //用户源文件
object            //编译生成的文件
project            //Keil的工程文件

6.1 新建Keil工程

打开Keil-MDK，选择Project->New Project，新建一个工程，命名为ds_cm3_prj，保存到project目录下。

Keil工程目录

器件型号选择我们新安装的ARM Cortex-M3 DS_CM3内核。

选择器件型号

组件管理界面中，添加CMSIS内核文件和Startup启动文件：

添加内核文件

并按照如下结构组织文件：

文件结构

6.2 设置RAM和ROM地址

在工程选项中设置片上ITCM的起始地址0x0、大小64K，片上DTCM起始地址0x20000000、大小64K：

RAM地址配置

起始地址来源于使用手册中图4-1系统内存地址映射，可以看到其中ITCM和DTCM的起始地址：

ITCM和DTCM起始地址

大小是我们在Cortex-M3内核配置中设置的大小：

ITCM和DTCM大小

设置完成之后，新建main.c文件，输入以下内容，编译工程，应该无错误输出。

#include "DS_CM3.h"
#include "system_DS_CM3.h"

int main(void)

    while(1)

6.3 GPIO输入输出控制

通过查看AXI GPIO的使用手册，通道1的数据寄存器偏移地址为0，通道2的数据寄存器偏移地址为0x08，根据Vivado中的连接，LED连接到通道1，按键连接到通道2上，所以只需要对这两个寄存器地址进行读写，就可以实现LED的控制和拨码开关状态的读取。

AXI GPIO寄存器定义

在Vivado地址分配界面，可以看到GPIO和UART的基地址分别为：0x4000_0000和0x4060_0000。

外设基地址

LEL控制和拨码开关读取：

*(volatile uint32_t *) (0x40000000+0x0) = 0x0f;    //GPIO通道1低4位写1
*(volatile uint32_t *) (0x40000000+0x0) = 0x00;    //GPIO通道1低4位写0

uint32_t sw = 0;
sw = *(uint32_t *) (0x40000000+0x08);    //获取GPIO通道2的32位输入状态

6.4 串口数据发送和接收

向串口发送FIFO写入一字节数据：

while((*(volatile uint32_t *)(0x40600000 + 0x08)) & 0x08 != 0x08);    //等待发送FIFO不满
*(volatile uint32_t *) (0x40600000+0x04) = 0x41;    //向串口发送FIFO写入字符'A'=0x41

从串口接收一字节数据：

uint8_t dat = 0;
if((*(volatile uint32_t *)(0x40600000 + 0x08)) & 0x01 == 1)    //串口接收FIFO中有数据
    dat = (*(volatile uint32_t *)(0x40600000 + 0x00));        //从接收FIFO中读取1字节数据。

关于AXI GPIO和AXI UART寄存器的详细说明，可以查看官方文档：

pg144-axi-gpio.pdf
https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_gpio/v2_0/pg144-axi-gpio.pdf
pg142-axi-uartlite.pdf
https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_uartlite/v2_0/pg142-axi-uartlite.pdf

6.5 延时函数实现

为了让LED的变化，可以被人眼所看到，需要使用延时函数对亮灭进行延时。

使用系统滴答定时器实现一个延时函数：

volatile uint32_t cnt = 0;    //volatile类型

void SysTick_Handler(void)

    cnt++;


void delay_ms(uint32_t t)

    cnt = 0;
    while(cnt-t>0);

为了让延时函数准确延时，我们还需要更改工程中的系统时钟频率，和FPGA中配置的内核时钟保持一致。

系统时钟

完成的main.c文件内容：

#include "DS_CM3.h"
#include "system_DS_CM3.h"
//C库
#include <stdarg.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

#define BASEADDR_LED     0x40000000
#define BASEADDR_UART     0x40600000
#define CHANNEL_LED     1
#define CHANNEL_SW       2

#define XGPIO_CHAN_OFFSET 8
#define XGpio_WriteReg(BaseAddress, RegOffset, Data)   Xil_Out32((BaseAddress) + (RegOffset), (uint32_t)(Data))
#define XGpio_ReadReg(BaseAddress, RegOffset)             XGpio_In32((BaseAddress) + (RegOffset))

#define XUL_TX_FIFO_OFFSET           4     /* transmit FIFO, write only */
#define XUL_STATUS_REG_OFFSET        8     /* status register, read only */
#define XUL_SR_TX_FIFO_FULL          0x08  /* transmit FIFO full */

#define XUartLite_GetStatusReg(BaseAddress)          XUartLite_ReadReg((BaseAddress), XUL_STATUS_REG_OFFSET)
#define XUartLite_ReadReg(BaseAddress, RegOffset)   XGpio_In32((BaseAddress) + (RegOffset))

#define XUartLite_IsTransmitFull(BaseAddress) \\
    ((XUartLite_GetStatusReg((BaseAddress)) & XUL_SR_TX_FIFO_FULL) == \\
      XUL_SR_TX_FIFO_FULL)

#define XUartLite_WriteReg(BaseAddress, RegOffset, Data)  Xil_Out32((BaseAddress) + (RegOffset), (uint32_t)(Data))

volatile uint32_t cnt = 0;

void SysTick_Handler(void)

    cnt++;


void delay_ms(uint32_t t)

    cnt = 0;
    while(cnt-t>0);


uint32_t XGpio_In32(uint32_t Addr)

    return *(volatile uint32_t *) Addr;


void Xil_Out32(uint32_t Addr, uint32_t Value)

    volatile uint32_t *LocalAddr = (volatile uint32_t *)Addr;
    *LocalAddr = Value;


uint32_t XGpio_DiscreteRead(uint32_t Addr, uint8_t Channel)

    return XGpio_ReadReg(Addr, (Channel-1)*XGPIO_CHAN_OFFSET);


void XGpio_DiscreteWrite(uint32_t Addr, uint8_t Channel, uint32_t Data)

    XGpio_WriteReg(Addr, (Channel-1)*XGPIO_CHAN_OFFSET, Data);


void XUartLite_SendByte(uint32_t BaseAddress, uint8_t Data)

    while (XUartLite_IsTransmitFull(BaseAddress));
    XUartLite_WriteReg(BaseAddress, XUL_TX_FIFO_OFFSET, Data);


void cm3_print(const char *ptr)

    while (*ptr != (char)0) 
        XUartLite_SendByte(BASEADDR_UART, *ptr);
        ptr++;
    


void MyUartPrintf(char *fmt,...)

    unsigned char UsartPrintfBuf[296];
    va_list ap;
    unsigned char *pStr = UsartPrintfBuf;

    va_start(ap, fmt);
    vsnprintf((char *)UsartPrintfBuf, sizeof(UsartPrintfBuf), (const char *)fmt, ap);                      
    va_end(ap);

    while(*pStr != 0)
    
        XUartLite_SendByte(BASEADDR_UART, *pStr);
        pStr++;
    


void led_blink(void)

    XGpio_DiscreteWrite(BASEADDR_LED, CHANNEL_LED, 0);
    delay_ms(500);
    XGpio_DiscreteWrite(BASEADDR_LED, CHANNEL_LED, 0xf);
    delay_ms(500);


int main(void)

    uint32_t sw = 0;

    SystemCoreClockUpdate();
    SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);

    cm3_print("Hello DesignStart ARM Cortex-M3 on FPGA Xilnx Artix-7 XC7A100T \\r\\n");
    MyUartPrintf("SystemCoreClock = %ld\\r\\n", SystemCoreClock);

    while(1)
    
        led_blink();
        sw = XGpio_DiscreteRead(BASEADDR_LED, CHANNEL_SW);
        MyUartPrintf("key state = %d-%d-%d-%d\\r\\n", sw>>3, sw>>2&1, sw>>1&1, sw&1);

实现的功能是，4颗LED每100ms闪烁一次，同时串口输出此时拨码开关的实时状态。

编译无误后，就可以进行程序下载了。

6.6 Flash编程算法生成

使用Jlink下载程序需要指定Flash编程算法，但是Keil自带的算法中并没有我们所需要的：

下载算法

所以我们需要定制一份Flash编程算法，打开Keil安装目录下的\\ARM\\Flash文件夹，将_Template文件夹复制出一份，并命名为DS_CM3，

复制模板

打开其中的Keil工程：

下载算法

这个工程可以自己设置要编程的Flash起始地址、大小，擦除大小等。

FlashDev.c文件填入以下内容，和我们之前ITCM的配置保持一致，起始地址0x0，大小64K：

#include "..\\FlashOS.H"        // FlashOS Structures

struct FlashDevice const FlashDevice  =  
   FLASH_DRV_VERS,             // Driver Version, do not modify!
   "MyCM3onFPGA",              // Device Name 
   ONCHIP,                     // Device Type
   0x00000000,                 // Device Start Address
   0x00010000,                 // 修改为64KB
   1024,                       // Programming Page Size
   0,                          // Reserved, must be 0
   0xFF,                       // Initial Content of Erased Memory
   100,                        // Program Page Timeout 100 mSec
   3000,                       // Erase Sector Timeout 3000 mSec

// Specify Size and Address of Sectors
   0x010000, 0x000000,         // 只有一个扇区，起始地址为0
   SECTOR_END
;

FlashPrg.c文件，实现一些存储区擦除的函数：

#include "..\\FlashOS.H"        // FlashOS Structures
#include "string.h"

int Init (unsigned long adr, unsigned long clk, unsigned long fnc) 
  return (0);                                  // Finished without Errors


int UnInit (unsigned long fnc) 
  return (0);                                  // Finished without Errors


int EraseChip (void) 
  memset((unsigned char *)0, 0, 0x10000);
  return (0);                                  // Finished without Errors


int EraseSector (unsigned long adr) 
  memset((unsigned char *)adr, 0, 1024);
  return (0);                                  // Finished without Errors


int ProgramPage (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf) 
  memcpy((unsigned char *)adr, buf, sz);
  return (0);                                  // Finished without Errors

编译无误后，会在工程目录下生成一个FLM文件。

新生成的下载算法

将它复制到上一级目录：

新生成的下载算法

6.7 编译下载运行

再打开我们的ARM核Keil工程，添加DS_CM3 Flash编程算法：

添加Flash编程算法

点击下载按钮，把ARM程序下载到ARM核：

可以看到LED每500ms闪烁一次，串口数据每1s输出一次，同时按下按键，串口输出按键的状态。

和其他ARM内核芯片一样，也是支持在线调试的：

由于ARM程序是下载到Cortex-M3软核内的RAM存储区，所以掉电后程序会丢失。如何将程序下载到片外的SPI Flash中，我还没有成功实现。

7.开源地址

本篇文章的pdf文件，Vivado工程，Keil工程，Keil器件支持包，Flash编程算法文件，外设IP的参考文档，ARM M3软核IP资料包等资料我已经开源到Github和Gitee，地址如下：

Gitee

git clone https://gitee.com/whik/cortex_m3_on_xc7a100t.git

Github

git clone https://github.com/whik/cortex_m3_on_xc7a100t.git

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