【FPGA初心者向け】Zynq FPGAのCPUで”Hello World”プログラムを実行する方法 – (2)プログラムの作成と実装 –

こんにちは。FPGAプログラミング初学者の「ひがし研究所」です！

企業のエンジニアとして働きつつ、FPGAを使ったデジタル回路の設計に興味を持ち、休日に勉強をしています。
これまで、Verilogを用いたハードウェア言語での回路記述をメインに行ってきましたが、スキルを広げるためにソフトウェアでのシステム構築の勉強をしています。

初学者の目線から、詰まりやすいポイントとそれを解決した方法について、記事にしていこうと思いますので、ぜひご覧いただければと思います！

では、前回の記事に引き続き、今回の記事では、Xilinx社のCPUが内蔵されたFPGAチップZynqを初めて扱う人が、最初に作る”Hello World”のプログラムを実行する方法についてまとめます。

1. 目標と工程

開発目標

本記事では、前回の記事に引き続き、以下の目標で開発を進めています。

これを目標とします。

開発工程

今回はやり残していた開発工程のうち②と③を行います。

2. システムの構成

開発ボード Zybo Zynq-7010評価ボード

Zyboのシステム構成図

Zyboのマニュアルを参考にまとめると、以下のようなシステム構成になります。
※本記事で必要なところのみを抜粋しています。実際の回路基板には他にも多くの有用な機能が含まれます。

3. プロジェクトの作成

ソフトウェア設計

前回の記事では、統合開発環境Vivadoを用いて、“Hello World”プログラムをFPGAに実装するためのシステム構成を設計しました。

今回の記事では、Zynqのハードウェア上で動作するソフトウェアプログラムを作成します。

まず、前回作成したbitファイルを“Export Hardware”でXilinx Software Development Kit、通称SDKにエクスポートします。
そして、SDKを起動し、アプリケーションファイルを作成していきます。

Vivadoの“Launch SDK”をクリックすると、SDKが図のように起動します。

このウィンドウ上でアプリケーションファイルを作成していきましょう。
メニューから[File]>>[New]>>[Application Project]を実行します。

アプリケーションプロジェクトの名前を”hello”と選択すると、ライブラリやヘッダファイルが格納されたBSP(Board Support Package)プロジェクトの名前も”hello_bsp”と自動で入力されます。

入力が完了したら、[Next]をクリックします。

次のダイアログでは、Xilinx社が提供しているプログラムのテンプレートが各種用意されているので、今回の目的の[Hello World]を選択し、[Finish]をクリックしましょう。

SDKで作成したプロジェクトは左の”Project Explorerペイン”に表示されています。

”Project Explorer”上には、次の3つのプロジェクトが作成されました

int main()
{
   init_platform();

   print("Hello World\n\r");

   cleanup_platform();
   return 0;
}

「初期化 → ”Hello World”表示 → 終了」といった一連のプログラムとなっています。

以上でCPUを動かすためのプログラムが完成しました！

プロジェクトの機能や階層構造などの細かい考察は今後深めていきましょう！
まずは、プログラムを実装し、回路基板上で動かしてみましょう！

4. 実装と動作確認

ハードウェアの実装

回路基板をホストPCにつなぎ、PCで[Program FPGA]を選択します。
Xilinx Software Development Kit(通称SDK)のウィンドウ上で、図のようなショートカットをクリックします。

ウィンドウが立ち上がりますので、そのまま[Program]をクリックしましょう。
これをクリックすると、先ほどコンパイルしたビットストリーム(bit)ファイルがFPGAに送信され、コンフィグレーションされます。

これにより、ハードウェアの実装が完了しました。
つまり、ソフトウェアを書き込むための環境(プラットフォーム)が基板上に用意されたといえます。

ソフトウェアの実装

次に、ソフトウェアの書き込みを行います。
引き続きSDKのウィンドウ上でアプリケーションプロジェクト”hello”を選択します。
そして、メニューから[Run]>>[Debug Configurations…]を実行します。

そうすると、Debug Configurationsウィンドウが立ち上がります。
このウィンドウの“Xilinx C/C++ application (System Debugger)”をダブルクリック(①)すると、新しいデバッグ設定が作成されます(②)。

デバッグ設定を確認できたら、[Debug]をクリックしてください(③)。
次のウィンドウは操作画面をデバッガの画面に切り替えることを確認するダイアログなので、気にせずに[Yes]をクリックするのでよいでしょう(④)。

デバッガ操作画面に切り替わります。
中央のソースコードでは、“init_platform()”が緑色にハイライトされていて、ここで処理が停止していることを示しています。

動作確認

UARTからの信号を受信して表示するSDKターミナル上で、ホストPCのCOMポートを設定できれば、いよいよプログラムの実行です！
[Resume]アイコンをクリックしてプログラムを実行しましょう。

無事に”Hello World”の文字列が表示されました！！

まとめ

以上をまとめると、この通りです。