文章目录
- 1. MY_SOC Memory Map
- 2. MY_SOC 源码
- 3. 测试代码
- 4 创建自己的IP
- 4.1 memory map
- 4.2 my_test_ip源码
- 4.3 测试代码
随着国内芯片公司越来越多，越来越多的底层程序员需要在pre silicon阶段就要开发代码。而在pre silicon阶段测试方式有多种：
方式 | 优点 | 缺点 |
RTL simulation | 可以验证最准确的硬件行为，可以测试SOC相关代码 | 仿真速度非常慢，且rtl freeze之前硬件有bug |
FPGA/ZEBU emulation | 可以验证部分硬件行为，速度相对RTL simulation快 | 价格昂贵，难以布署大量测试，且有些硬件没法仿真 |
软件模拟器，如QEMU | 速度最快，可以布署大量测试 | 没有现成的模拟器对应正在开发的SOC |
很明显软件模拟器的优点缺点显而易见，如果开发人员可以在芯片开发前期定制出一个软件模拟器对应SOC 原型，那么可以大大提高pre silicon的效率。本文以一个小demo来演示如何在qemu源码基础上搭建一个最简单的Cortex M4的SOC。 这里就不讲如何编译qemu-system-arm了，网上有很多教程教学如何编译qemu-system-arm。后文简称该SOC为MY_SOC
1. MY_SOC Memory Map
Cortex M自带的system peripheral的地址这里就不列出来了，比如systick，nvic这些都是arm规定的，没法改，也没必要改。这里定义了最简单三个外设。一段FLASH用来跑代码，一段SRAM用来存数据，一个UART来打印。
起始地址 | 结束地址 | |
FLASH(定义了一段4M 的FLASH) | 0x00000000 | 0x003FFFFF |
SRAM(定义了一段16M的SRAM) | 0x20000000 | 0x20FFFFFF |
UART0(使用ARM PL011 IP) | 0x40000000 | 0x40000FFF |
2. MY_SOC 源码
将my_soc.c 放在qemu/hw/arm目录下并且加入arm的makefile编译即可。先贴出全部代码再逐行解释。加上头文件include和宏定义一共77行代码，可见利用qemu能够很方便地搭出一个SOC模拟器原型。
#include "qemu/osdep.h"
2 #include "qapi/error.h"
3 #include "hw/arm/boot.h"
4 #include "hw/boards.h"
5 #include "qemu/log.h"
6 #include "exec/address-spaces.h"
7 #include "sysemu/sysemu.h"
8 #include "hw/arm/armv7m.h"
9 #include "hw/char/pl011.h"
10 #include "hw/irq.h"
11 #include "cpu.h"
12
13 #define MY_SOC_FLASH_START (0x0)
14 #define MY_SOC_FLASH_SIZE (4 * 1024 * 1024) //< 4M
15
16 #define MY_SOC_SRAM_START (0x20000000)
17 #define MY_SOC_SRAM_SIZE (16 * 1024 * 1024) //<16M
18
19 #define PL011_UART0_START (0x40000000)
20 #define PL011_UART0_IRQn (0)
21
22 #define NUM_IRQ_LINES 64
23
24 static void mysoc_init(MachineState *ms)
25 {
26 DeviceState *nvic;
27
28 MemoryRegion *sram = g_new(MemoryRegion, 1);
29 MemoryRegion *flash = g_new(MemoryRegion, 1);
30 MemoryRegion *system_memory = get_system_memory();
31
32 /* Flash programming is done via the SCU, so pretend it is ROM. */
33 memory_region_init_ram(flash, NULL, "mysoc.flash", MY_SOC_FLASH_SIZE, &error_fatal);
34 memory_region_set_readonly(flash, true);
35 memory_region_add_subregion(system_memory, MY_SOC_FLASH_START, flash);
36
37 memory_region_init_ram(sram, NULL, "mysoc.sram", MY_SOC_SRAM_SIZE, &error_fatal);
38 memory_region_add_subregion(system_memory, MY_SOC_SRAM_START, sram);
39
40 nvic = qdev_create(NULL, TYPE_ARMV7M);
41 qdev_prop_set_uint32(nvic, "num-irq", NUM_IRQ_LINES);
42 qdev_prop_set_string(nvic, "cpu-type", ms->cpu_type);
43 qdev_prop_set_bit(nvic, "enable-bitband", true);
44 object_property_set_link(OBJECT(nvic), OBJECT(get_system_memory()), "memory", &error_abort);
45
46 /* This will exit with an error if the user passed us a bad cpu_type */
47 qdev_init_nofail(nvic);
48
49 pl011_luminary_create(PL011_UART0_START , qdev_get_gpio_in(nvic, PL011_UART0_IRQn), serial_hd(0));
50 armv7m_load_kernel(ARM_CPU(first_cpu), ms->kernel_filename, MY_SOC_FLASH_SIZE);
51 }
52
53
54 static void mysoc_class_init(ObjectClass *oc, void *data)
55 {
56 MachineClass *mc = MACHINE_CLASS(oc);
57 printf("%s entry\n", __func__);
58
59 mc->desc = "My SOC Cortex M4";
60 mc->init = mysoc_init;
61 mc->ignore_memory_transaction_failures = true;
62 mc->default_cpu_type = ARM_CPU_TYPE_NAME("cortex-m4");
63 }
64
65 static const TypeInfo mysoc_type = {
66 .name = MACHINE_TYPE_NAME("mysoc_evb"),
67 .parent = TYPE_MACHINE,
68 .class_init = mysoc_class_init,
69 };
70
71 static void mysoc_evb_init(void)
72 {
73 type_register_static(&mysoc_type);
74 }
75
76 type_init(mysoc_evb_init)
77代码很简单，从下往上看。这里定义了一块板子叫mysoc_evb，通过type_init宏上报给qemu，之后qemu在启动地时候就能自动地调用mysoc_init初始化soc外设。
这里定义了描述字符串为My SOC Cortex M4，cpu类型是cortex-m4，板子名字是mysoc_evb。当这些结构体初始化完后，运行qemu-system-arm -machine help 就会出现我们自己地设备。
54 static void mysoc_class_init(ObjectClass *oc, void *data)
55 {
56 MachineClass *mc = MACHINE_CLASS(oc);
57 printf("%s entry\n", __func__);
58
59 mc->desc = "My SOC Cortex M4";
60 mc->init = mysoc_init;
61 mc->ignore_memory_transaction_failures = true;
62 mc->default_cpu_type = ARM_CPU_TYPE_NAME("cortex-m4");
63 }
64
65 static const TypeInfo mysoc_type = {
66 .name = MACHINE_TYPE_NAME("mysoc_evb"),
67 .parent = TYPE_MACHINE,
68 .class_init = mysoc_class_init,
69 };
70
71 static void mysoc_evb_init(void)
72 {
73 type_register_static(&mysoc_type);
74 }
75
76 type_init(mysoc_evb_init)所以最关键地函数就是mysoc_init这个函数，这个函数里做的事情非常简单，就是调用qemu的API创建相应的memory map以及设备就可以了。
- 创建4M flash并设置为只读，定义了一个默认的加载文件mysoc.flash。如果mysoc.flash存在。那么qemu就会把该文件的数据读到这段flash中
33 memory_region_init_ram(flash, NULL, "mysoc.flash", MY_SOC_FLASH_SIZE, &error_fatal);
34 memory_region_set_readonly(flash, true);
35 memory_region_add_subregion(system_memory, MY_SOC_FLASH_START, flash);- 创建一段16M的SRAM， 并定义默认文件mysoc.sram
37 memory_region_init_ram(sram, NULL, "mysoc.sram", MY_SOC_SRAM_SIZE, &error_fatal);
38 memory_region_add_subregion(system_memory, MY_SOC_SRAM_START, sram);- 配置NVIC, 设置64个外部中断槽，使能bitband。
40 nvic = qdev_create(NULL, TYPE_ARMV7M);
41 qdev_prop_set_uint32(nvic, "num-irq", NUM_IRQ_LINES);
42 qdev_prop_set_string(nvic, "cpu-type", ms->cpu_type);
43 qdev_prop_set_bit(nvic, "enable-bitband", true);
44 object_property_set_link(OBJECT(nvic), OBJECT(get_system_memory()), "memory", &error_abort);- 添加一个PL011 UART，地址为0x40000000， 中断号为0。
49 pl011_luminary_create(PL011_UART0_START , qdev_get_gpio_in(nvic, PL011_UART0_IRQn), serial_hd(0));- 设置kernel加载到flash中
50 armv7m_load_kernel(ARM_CPU(first_cpu), ms->kernel_filename, MY_SOC_FLASH_SIZE);至此MY_SOC就配置完了。我们写一段测试代码来测试这个模拟器能不能运行。
3. 测试代码
链接文件，把代码段放在FLASH中，data，bss段放在SRAM中
MEMORY
{
FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 4M
SRAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 16M
}
SECTIONS
{
.text :
{
_text = .;
KEEP(*(.isr_vector))
*(.text*)
*(.rodata*)
_etext = .;
} > FLASH
/DISCARD/ :
{
*(.ARM.exidx*)
*(.gnu.linkonce.armexidx.*)
}
.data : AT(ADDR(.text) + SIZEOF(.text))
{
_data = .;
*(vtable)
*(.data*)
_edata = .;
} > SRAM
.bss :
{
_bss = .;
*(.bss*)
*(COMMON)
_ebss = .;
} > SRAM
. = ALIGN(32); /*Not sure if this needs to be done, but why not.*/
_stack_bottom = .; /*Address of the bottom of the stack.*/
. = . + 0x4000; /*Allocate 4K for the Stack.*/
_stack_top = 0x20008000; /*Address of the top of the heap, also end of RAM.*/
}startup.c 定义了栈指针和函数入口main
__attribute__ ((section(".isr_vector")))void (*g_pfnVectors[])(void) =
{
0x20008000, // StackPtr, set in RestetISR
main, // The reset handler
NmiSR, // The NMI handlmain函数里就是往UART0里输出了Hello My SOC
#include <stdint.h>
static volatile uint32_t * const UART0_DR = (uint32_t *)0x40000000;
void puts(char *str)
{
while(*str != 0) {
*UART0_DR = *str;
str++;
}
}
int main()
{
puts("Hello My SOC\n");
while(1);
return 0;
}编译运行看结果
4 创建自己的IP
qemu/hw下面已经内置了许多可用的外设IP，如果有就可以简单地直接在像搭积木一样地配置一下就行。但如果在SOC开发中加入了一些自研的IP， 而此时在hw下面并没有，这个时候就需要自己加入IP的模拟器代码。本小节以一个最简单的读写寄存器来示范如何在qemu模拟器中加入自己的IP。
4.1 memory map
register | offset | reset_value | R/W |
ID0 | 0x0 | 0x54 (T) | RO |
ID1 | 0x4 | 0045 (E) | RO |
ID2 | 0x8 | 0x53 (S) | RO |
ID3 | 0xc | 0x54 (T) | RO |
ID4 | 0x10 | 0x20 (Space) | RO |
ID5 | 0x14 | 0x40 (I) | RO |
ID6 | 0x18 | 0x50 § | RO |
Test Reg | 0x1c | 0 | RO |
寄存器功能很简单，前面7个是只读ID寄存器，最后一个是可读写的寄存器，没什么实际作用，就是demo用。没有中断产生。
4.2 my_test_ip源码
25 #define MY_TEST_IP_START (0x40001000)
26
27 #define NUM_IRQ_LINES 64
28
29 typedef struct {
30 SysBusDevice parent_obj;
31
32 qemu_irq irq;
33 MemoryRegion iomem;
34 uint32_t id0; //T
35 uint32_t id1; //E
36 uint32_t id2; //S
37 uint32_t id3; //T
38 uint32_t id4; //
39 uint32_t id5; //I
40 uint32_t id6; //P
41 uint32_t test_reg;
42 } my_test_ip_state;
106 #define TEST_IP(obj) \
107 OBJECT_CHECK(my_test_ip_state, (obj), TYPE_TEST_IP)
108
109
110 static const VMStateDescription my_test_ip_vm = {
111 .name = "my_test_ip",
112 .version_id = 1,
113 .minimum_version_id = 1,
114 .fields = (VMStateField[]) {
115 VMSTATE_UINT32(id0, my_test_ip_state),
116 VMSTATE_UINT32(id1, my_test_ip_state),
117 VMSTATE_UINT32(id2, my_test_ip_state),
118 VMSTATE_UINT32(id3, my_test_ip_state),
119 VMSTATE_UINT32(id4, my_test_ip_state),
120 VMSTATE_UINT32(id5, my_test_ip_state),
121 VMSTATE_UINT32(id6, my_test_ip_state),
122 VMSTATE_UINT32(test_reg, my_test_ip_state),
123 VMSTATE_END_OF_LIST()
124 }
125 };
126
127 static uint64_t my_test_ip_read(void *opaque, hwaddr offset,
128 unsigned size)
129 {
130 uint64_t ret = 0;
131 my_test_ip_state *s = (my_test_ip_state *)opaque;
132 printf("%s hwaddr:%lx, size:%x\n", __func__, offset, size);
133 switch (offset) {
134 case 0x0:
135 ret = s->id0;
136 break;
137 case 0x4:
138 ret = s->id1;
139 break;
140 case 0x8:
141 ret = s->id2;
142 break;
143 case 0xc:
144 ret = s->id3;
145 break;
146 case 0x10:
147 ret = s->id4;
148 break;
149 case 0x14:
150 ret = s->id5;
151 break;
152 case 0x18:
153 ret = s->id6;
154 break;
155 case 0x1c:
156 ret = s->test_reg;
157 break;
158 }
159 return ret;
160 }
161
162 static void my_test_ip_write(void *opaque, hwaddr offset,
163 uint64_t value, unsigned size)
164 {
165
166 my_test_ip_state *s = (my_test_ip_state *)opaque;
167 printf("%s hwaddr:%lx, size:%x, value:%lx\n", __func__, offset, size, value);
168 switch(offset){
169 case 0x0:
170 case 0x4:
171 case 0x8:
172 case 0xc:
173 case 0x10:
174 case 0x14:
175 case 0x18:
176 printf("%s: cannot write the read only register\n", __func__);
177 break;
178 case 0x1c:
179 s->test_reg = value;
180 break;
181 }
182 }
183
184 static const MemoryRegionOps my_test_ip_ops = {
185 .read = my_test_ip_read,
186 .write = my_test_ip_write,
187 .endianness = DEVICE_NATIVE_ENDIAN,
188 };
189
190 static void my_test_ip_init(Object *obj)
191 {
192 printf("%s \n", __func__);
193
194 my_test_ip_state *s = TEST_IP(obj);
195
196 memory_region_init_io(&s->iomem, obj, &my_test_ip_ops, s, TYPE_TEST_IP, 0x1000);
197 sysbus_init_mmio(SYS_BUS_DEVICE(obj), &s->iomem);
198
199 s->id0 = 0x54;
200 s->id1 = 0x45;
201 s->id2 = 0x53;
202 s->id3 = 0x54;
203 s->id4 = 0x20;
204 s->id5 = 0x49;
205 s->id6 = 0x50;
206 s->test_reg = 0;
207 }
208
209 static void my_test_ip_class_init(ObjectClass *klass, void *data)
210 {
211 printf("%s \n", __func__);
212 DeviceClass *dc = DEVICE_CLASS(klass);
213 dc->vmsd = &my_test_ip_vm;
214 }
215
216 static const TypeInfo my_test_ip = {
217 .name = TYPE_TEST_IP,
218 .parent = TYPE_SYS_BUS_DEVICE,
219 .instance_size = sizeof(my_test_ip_state),
220 .instance_init = my_test_ip_init,
221 .class_init = my_test_ip_class_init,
222 };
223
224 static void my_test_ip_types(void)
225 {
226 printf("%s \n", __func__);
227 type_register_static(&my_test_ip);
228 }
229
230 type_init(my_test_ip_types)4.3 测试代码
#define MY_TEST_IP_START 0x40001000
typedef struct my_ip_tag {
volatile uint32_t id0;
volatile uint32_t id1;
volatile uint32_t id2;
volatile uint32_t id3;
volatile uint32_t id4;
volatile uint32_t id5;
volatile uint32_t id6;
volatile uint32_t test_reg;
} my_test_ip_t;
void my_test_ip_sample()
{
my_test_ip_t *ip = (my_test_ip_t *)MY_TEST_IP_START;
char id[8];
id[0] = (char) ip->id0;
id[1] = (char) ip->id1;
id[2] = (char) ip->id2;
id[3] = (char) ip->id3;
id[4] = (char) ip->id4;
id[5] = (char) ip->id5;
id[6] = (char) ip->id6;
id[7] = 0;
puts(id);
puts("\n");
ip->test_reg = 0x00414141;
id [0] = ip->test_reg & 0xff;
id [1] = (ip->test_reg & 0xff00) >> 8;
id [2] = (ip->test_reg & 0xff0000) >> 16;
id [3] = (ip->test_reg & 0xff000000) >> 24;
puts(id);
puts("\n");
}运行结果： 红框内是qemu打印的，蓝框是测试程序打印出来的，可以看到能顺利读出ID，同时能读写test reg。
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