在小脚丫FPGA板上玩转开源农场（FARM）FPGA+Arduino+RISC-V+Make
经过美国PulseRain Technology与小脚丫团队的不懈努力，在小脚丫Cyclone10开发板上成功移植了PulseRain Reindeer RISC-V 软核，并且开发了配套Arduino IDE的板子支持包，使得用户可以通过Arduino开发环境直接对嵌入到FPGA中的RISC-V软核进行编程。说到这种FPGA+Arduino+软核CPU的开发方式，是不是有种似曾相识的感觉，不错，之前我们就在STEP MAX10开发板上移植过PulseRain Technology的8051软核FT51-1T（使用Arduino玩转FPGA），采用的正是这种嵌入式开发方式。
FPGA优秀的性价比和灵活性；开源硬件Arduino及其丰富的软件库；开源的编译器和工具链GNU；再加上如今热度空前的开源处理器RISC-V，形成了一种灵活快速的新型嵌入式开发方式FRAM: FPGA+Arduino+RISC-V+Make。
如上图所示，在FARM开发模式下，FPGA成为系统的核心芯片。在FPGA中会包含一个支持RISC-V的开源处理器软核 (RISC-V Soft CPU)。该处理器可以包含一个硬件逻辑实现的代码载入器 (Hardware Based Code Loader)。FPGA也会包含所有的（或大部分的）外部设备实现，这些外部设备和RISC-V通过总线相连。对于无法完全用FPGA实现的功能 (例如传感器），FPGA也会实现其控制部分或者数据的读写。
上图中RISC-V 软核的编程，可以通过两种方式。对中小型的裸金属 (bare metal)系统，开发者可以直接在Arduino 集成开发环境下编程，并充分利用Arduino提供的软件支持库。编译结果也可以在集成环境下直接写入到FPGA上的RISC-V软核里。当软件规模变大时，软件的配置和编译可以通过Make来实现，并执行和RISC-V软核配套的代码载入工具，下载编译结果。
在Changyi Gu即将出版的新书《基于FPGA与RISC-V的嵌入式系统设计》中将会详细讨论FRAM这一新型的嵌入式开发方式，敬请期待。
本次移植的RISC-V软核是由Changyi Gu主持设计的 PulseRain Reindeer 处理器内核，该软核在2018年由RISC-V 基金会官方举办的全球 Soft CPU 设计大赛中脱颖而出，荣获季军 (RISC-V SoftCPU Contest)。PulseRain Reindeer是一个Von Neumann架构的软CPU，支持RISC-V RV32I [M]指令集，并具有2 x 2流水线架构，是综合平衡了速度和面积的结果，为所有FPGA平台上的软CPU提供了灵活的选择。Pulserain公司特别将该处理器为小脚丫实验平台做了升级改进，可以同时支持DRAM和FPGA片上BRAM，还对外部中断做了更好的支持。（参考源码RISC-V Reindeer_Step Soft CPU）。
下面我们就在小脚丫CYC10 FPGA开发板上玩一把开源FRAM。
准备工作
- 小脚丫FPGA开发板 STEP-CYC10
- Intel Quantus Prime Lite18.1版本以上
- Arduino IDE 18.4版本以上
准备1：小脚丫FPGA开发板 STEP-CYC10
小脚丫STEP-CYC10 是一款基于Intel Cyclone10设计的FPGA开发板。板卡尺寸只有72mm×40mm。核心FPGA芯片选用了Intel公司Cyclone 10 LP系列的10CL016YU256C8G，相比于前一代的Cyclone IV系列的FPGA，它的性能更强，功耗更低，板上的FPGA芯片资源达16000逻辑单元（LEs），同时该板卡最高支持10CL025YU256芯片。另外，板卡上集成了USB Blaster编程器、SDRAM、FLASH等多种外设。板上预留了PCIE子卡插座，你可以方便的进行扩展。
STEP-CYC10板卡上集成的编程器能够完美支持开发工具Quartus Prime，你只需要一根MicroUSB连接线就能够完成FPGA的编程仿真和下载，使用更加方便。
准备2:Intel Quantus Prime软件
Quartus Prime是Altera被Intel收购之后推出的免费、强大的设计软件，包括了从设计输入到综合直至优化、验证以及仿真等各个阶段所需的一切功能。Quartus Prime Lite是大批量器件系列的理想设计工具，可以免费下载使用。Quartus Prime下载安装、使用Quartus Prime下载安装、使用
准备3:Arduino IDE软件
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)两大核心部分。Arduino IDE基于processing IDE开发，对于初学者来说极易掌握，同时有足够的灵活性。Arduino语言是基于wiring语言开发的，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础和编程基础，只需简单学习后，你就可以快速的进行开发。Arduino IDE的下载安装
操作步骤
- 获取PulseRain Reindeer_Step MCU软核
- 配置软核到STEP-CYC10 FPGA开发板
- Arduino IDE安装板卡支持包
- 在Arduino IDE中开发应用程序
- 下载程序到开发板并运行
步骤1：获取PulseRain Reindeer_Step MCU软核
本次移植的是在PulseRain Reindeer处理器内核基础上，改进的Reindeer_Step软核，该软核根据STEP CYC10开发板的特点做了如下改进：
- 增加了SDRAM控制器，以利用板上的8M动态内存作为代码和数据内存。
- 增加了对板上硬件资源的支持，如目前增加了UART外设和GPIO外设，并持续更新中。
- 开发了相关的Arduino Support Package，使得用户可以通过Arduino开发环境来直接对软核处理器编程。
Reindeer_Step的源代码已经开源在Github上，你可用如下的命令得到代码 ：
git clone https://github.com/PulseRain/Reindeer_Step.git
这个操作会在本地目录建立一个stepfpga 目录 也可以直接点击链接Reindeer_Step，在网页的Clone or download选项中Download ZIP文件。
cd Reindeer_Step
进入该目录
git submodule update --init --recursive
注意init和recursive前面是两个 - ，更新所有的submodules
（注意该软件遵循GNU通用公共许可证协议）
步骤2：配置软核到STEP-CYC10 FPGA开发板
直接从GitHub上clone的项目已默认编译出sof文件，编译后资源占用情况如下图所示：
使用Micro USB数据线连接PC和开发板后，使用Quartus Prime软件可以直接下载到FPGA。但是sof文件是下载到FPGA的SRAM，掉电会丢失，在CYC10上板载了一块SPI Flash，我们可以将sof文件转换为jic文件，通过JTAG下载到Flash中，每次上电时FPGA会将配置数据读取到SRAM中运行。
如果不熟悉Quartus prime的使用可以先学习这里的上手教程quartus_prime的使用。
如果不熟悉FPGA的开发可以先学习我们的FPGA入门教程。
步骤3：Arduino IDE安装板卡支持包
Arduino IDE可以支持第三方板子的开发，但是需要安装第三方板卡的支持包。
打开Arduino IDE，打开 文件——首选项——附加开发板管理器网址，添加如下链接: https://github.com/PulseRain/Arduino_RISCV_IDE/raw/master/package_pulserain.com_index.json，确定后，打开 工具——开发板——开发板管理器，在搜索框中输入REINDEER，安装PACKAGE, 目前是1.1.5 版本。
下载安装完成后在板卡管理器中有STEP CYC10 Board这个选项。
步骤4：在Arduino IDE中开发应用程序
在Arduino IDE 工具一栏，选择开发板为STEP CYC10 Board，下面我们可以开始开发自己的应用程序了，这里我们编写一段应用程序实现流水灯和串口打印的功能：
点击Arduino IDE的验证✔选项开始编译，程序编译结果会在下面的信息栏中给出。
这里建议用户在Preferences对话框 (菜单File / Preferences) 中打开“Show Verbose Output”选项，这样信息栏中会给出详细的编译结果。
步骤5：下载程序到开发板并运行
Arduino开发板之所以能够使用串口实现一键下载，是因为在主控制器内部有Bootloader，而在我们的软核内部没有使用软件bootloader，而是在软核中嵌入了OCD (onchip debugger)模块，相当于MCU内部的硬件BOOT模块，通过外接串口同样可以实现串口一键下载。
STEP CYC10板载了一片USB转串口芯片CP2102，通过Micro USB数据线连接到PC USB口，在设备管理器中会出现一个端口号，如COM4
在Arduino IDE中选择工具——端口，选择对应的端口号。在工具——编程器一栏选择编程器为USBasp。 点击上传按钮⇒，软件会对程序编译后下载到板子。
结果演示
演示效果如下：
打开串口监视器波特率为115200，可以看到不断打印累加数字，板子上的LED呈现流水灯模式。
更多外设支持正在持续不断的开发中，接下来也会推出更多好玩的Demo。