PolarFire® SoCシリーズ④　内部GPIOインターフェースの使い方

GPIOの使い方
2025.06.10

概要

はじめに

Microchip社のPolarFire® SoCは、不揮発性で低消費電力のミッドレンジSoC FPGAで、64ビットのRISC-V ISAを5コア搭載したプロセッサーと低消費電力FPGAを組み合わせたチップです。

この記事は、私自身の備忘録も兼ねて、PolarFire® SoCのMSS（Microprocessor Subsystem）における各種ペリフェラルの活用を目指して執筆しています。試行錯誤しながら実験を進めているため、内容に不備や不足がある可能性もございます。その際は、何卒ご容赦いただけますと幸いです。

記事の目的

これまでのPolarFire SoCに関する記事では、MSS単体またはFPGA単体での動作に焦点を当てており、それぞれの間の通信については触れてきませんでした。
今回は、MSSとFPGA間の通信に注目し、その設定方法と動作について解説します。

開発の手順

本シリーズでは、MSSとFPGA間の通信確認を目的として、開発を3回に分けて進めていきます。

今回：GPIOによる通信の確立
　FPGAファブリックに接続されたスイッチやLEDを、MSSから制御して動作を確認します。

次回：APB（Advanced Peripheral Bus）を利用したLED制御
　MSSからAPB経由で、LED2の点灯を制御します。

次々回：PCからの指令によるLED制御
　シリアル通信などを通じて、PCからのコマンドでLEDを制御します。

改定履歴

公開/変更日変更内容
25/6/10初版
MSSとFPGAファブリックのGPIO通信
25/6/11タイトル修正

外部リンク

タイトルリンク
PolarFire SoCプロダクトページ
(Microchip)		PolarFire® SoC FPGAs | Microchip Technology
PolarFire SoC Discoveryキット
(Microchip)		PolarFire® SoC Discovery Kit | Microchip Technology
PolarFire SoC MSS テクニカルリファレンスマニュアルPolarFire SoC MSS Technical Reference Manual (microchip.com)
Microprocessor Subsystem (MSS) User’s GuidePolarFire SoC MSS Technical Reference Manual (microchip.com)
PolarFire SoCプロダクトページ
(GitHub)		PolarFire-SoC · GitHub
ベアメタルプロジェクト
(Github)		GitHub – polarfire-soc/polarfire-soc-bare-metal-examples: Bare metal example software projects for PolarFire SoC
GPIO Bare Metal Driver
(Github)		polarfire-soc-documentation/bare-metal-embedded-software/bare-metal-driver-user-guides/polarfire-soc-mss-driver-user-guides/mss-gpio/mss-gpio-driver-user-guide.md at master · polarfire-soc/polarfire-soc-documentation · GitHub
(fig.1-2)各リンク集
記事リンク
第1回Lチカ_FPGA編PolarFire® SoCシリーズ①　Lチカ_FPGA編 – ぴくおの電子工作的な何かWP
第2回Lチカ1_MSS編PolarFire® SoCシリーズ②　Lチカ1_MSS編 – ぴくおの電子工作的な何かWP
第3回コア間メモリ共有の方法PolarFire® SoCシリーズ③　コア間メモリ共有の方法 – ぴくおの電子工作的な何かWP
第4回
（本記事)		内部GPIOインターフェースの使い方PolarFire® SoCシリーズ④　内部インターフェースの使い方 – ぴくおの電子工作的な何かWP
第5回内部APBインターフェースの使い方

第1回：GPIOによる通信の確立

1回目の記事はFPGAファブリックに接続されたスイッチやLEDを、MSSから制御して動作を確認します。

構成

前回の記事と同じく、PolarFire® SoC Discovery Kitを使用し、動作を確認していきます。
PolarFire® SoC Discovery Kit | Microchip Technology

(fig.2-1)PolarFire® SoC Discovery Kit　外観

[Step 1]MSS Configuratorで設定ファイルを作成

まずはMSS Configuratorツールを用います。これはMSS（Microprocessor Subsystem） を構成するための GUIベースの設定ツール で、ハード構成の設定やペリフェラルの有効化など設定します。

1.PolarFire® SoC MSS Configurator v2024.2を起動

アプリを起動すると以下の画面が立ち上がります。

2.プロジェクトの新規作成

①Project > Newをクリック

②Discovery Kitの場合は以下のように入力し「OK」をクリック（Module Nameは任意）

3.各種設定

①ペリフェラルの設定を行います。
今回はシンプルさを重視し、最小構成で進めます。
「GPIO（Fabric）」を選択し、GPIO2_0～GPIO2_3 を以下の設定で構成します。

②MMUART_1 のみ有効とします。IO　Connectionを「MSS I/O Bank2」に割り当てます。

③「MSS to/from Fabric …」タブを開きFIC_3(APB)のみ有効にします。

3.保存と設定ファイルの生成

「Save」ボタンをクリックして設定内容を保存した後、「Generate」ボタンを押すことで、以下の2種類のファイルが自動生成されます：

  • .cxzファイル：Libero SoC で読み込むための設計情報ファイル
  • XMLファイル：SoftConsole で使用する、MSS設定情報を含むファイル

このステップを行うことで、MSSの設定が各ツールへ正しく連携され、FPGA設計とソフトウェア開発がシームレスに接続されます。

[Step 2-1] Libero SoC でFPGAデザインを生成

MSS（Microprocessor Subsystem）と連携するカスタムロジックをFPGAファブリック上に実装します。

Libero SoC 上でブロックを接続し、MSSと通信するための ロジックや入出力ポートの割り当てなどを行っていきます。
この構成により、FPGAとRISC-Vコア間のGPIOによるデータのやり取りが可能になります。

1.Libero SoCを起動しプロジェクトを作成

①Libero SoCを起動し、「Project」>「New Project」をクリック

②プロジェクト名と保存先を指定し「Next」をクリック

③デバイス情報を入力し「Next」をクリック

④コア電圧等を入力し「Finish」をクリック

2.MSS設定ファイルを読み込み

①「Create Design」直下の「Import MSS」を右クリックし、ポップアップ表示されたメニューから「Import MSS Component」をクリック

②コモンダイアログが開くので、MSS Configuratorで生成した「***.cxz」ファイルを開く

3.スマートデザインの生成

「Create Design」直下の「Create SmartDesign」をダブルクリックし、ポップアップ表示されたメニューの名前に任意のデザイン名（ここではPWM）を入力し「OK」をクリック

(fig.2-1-3-1)スマートデザイン生成

4.各モジュールの配置

MSSブロックの配置

①タブを「Design Hierarchy」に変更し、先ほど生成したSmartDesignのタブを選択、その後「work」直下の「MPFS_DISCOVERY_KIT_MSS」をドラッグアンドドロップで配置します。

(fig.2-1-4-1)MSSブロック配置

②MSSブロックが配置されます

(fig.2-1-4-2)MSSブロック配置状態
2.ANDブロックの配置と配線

①タブを「Catalog」に変更し、「Macro Library」直下の「AND2」をドラッグアンドドロップで配置します。

(fig.2-1-4-3)ANDブロック配置

②追加したANDゲートの出力を「GPIO2_F2M_3」ピンに、「GPIO2_M2F_1」ピンの出力をANDゲートのB入力に接続します。

(fig.2-1-4-4)ANDブロック配置＆配線
3.クロックバッファの配置と配線

①「Macro Library」直下の「CLKBUF」をドラッグアンドドロップで配置します。

(fig.2-1-4-5)CLKBUFブロック

②「CLKBUF」の出力を「FIC_3_PCLK」ピンに接続します。

(fig.2-1-4-6)CLKBUFブロック配置&配線
3.未接続ピンの処理

①IPコアやモジュールの中にある 内部の信号やポート（例：LED制御ピン、スイッチ入力） を、
トップレベルのデザイン（例：FPGAファブリック全体）から見えるようにします。

ANDゲートのA入力を右クリックして「Promote to Top Level」をクリック

(fig.2-1-4-7)トップレベルでの可視化1

②同じように「GPIO2_M2F_1」ピンと「GPIO2_F2M_2」も可視化させます。

(fig.2-1-4-8)トップレベルでの可視化2

③未使用の「MSS_INT_F2M[63:0]」ピンをLowに接続

(fig.2-1-4-9)空きピンの設定1

④続いて「MSS_RESET_N_F2M」ピンをHighに接続します。

(fig.2-1-4-10)空きピンの設定2

5.HDLコードの自動生成

①「Build Hierarchy」ボタンをクリックして階層構造を構築した後、
続けて「Generate」ボタンをクリックして、各モジュールの接続や設定に基づいたHDLコードの自動生成を行います。

(fig.2-1-5-1)HDLコードの生成

6. 論理合成

①Smart Designファイルを右クリックし「Set as a Root」を選択します。

(fig.2-1-6-1)論理合成準備

②タブを「Design Flow」に切り替え、「Implement Design」セクションの中にある「Synthesize」を右クリックします。
表示されたメニューから「Run」を選択して、論理合成を実行します。

(fig.2-1-6-2)論理合成実行

③処理が正常に完了すると、ステップの左側にチェックマーク（✔）が表示されます。
これにより、合成が問題なく終了したことを確認できます。

(fig.2-1-6-3)論理合成完了

7.　ピンのアサイン

①「Constraints」セクションの中にある「Manage Constraints」を右クリックします。
表示されたメニューから「Open Constraint Manager view」を選択して、ピンアサインビューを表示します。

(fig.2-1-7-1)ピンアサインを開く

②「Edit」ボタンの横の▼マークをクリックします。表示されたメニューから「Edit with I/O Editor」をクリックします。

(fig.2-1-7-2)ピンアサイン画面編集

③以下のように各ポートをピンにアサインします。

Port NameI/O StandardPin Number
GPIO_2_F2M_2LVCMOS18T19
GPIO_2_M2F_0LVCMOS18T18
PADLVCMOS18R18
A_0LVCMOS18U17
(fig.2-1-7-3)ピンアサイン表
(fig.2-1-7-4)ピンアサイン表示例

④設定後、保存してウィンドウを閉じます。

8.配置配線の実行

①メニュー下部の「Place abd Route」ボタンをクリックし、配置配線を実行します。

(fig.2-1-8-1)配置配線実行

②処理が正常に完了すると、「Place and Route」の左側にチェックマーク（✔）が表示されます。
これにより、配置配線が問題なく終了したことを確認できます。

(fig.2-1-8-2)配置配線完了

9.　プログラムのフラッシュ

①「Program Design」セクションの中にある「Run PROGRAM Action」を右クリックします。
表示されたメニューから「Run」をクリックして、書込みを実行します。

(fig.2-1-9-1)書込み実行

②処理が正常に完了すると、「Program Design」セクションに配置されている、各ステップの左側にチェックマーク（✔）が表示されます。
これにより、書込みが問題なく終了したことを確認できます。

(fig.2-1-9-2)書込み完了

[Step 2-2] SoftConsoleで制御部を作成

1.Gitからダウンロード

下記のGitHubからベアメタルサンプルプロジェクトをダウンロード＆解凍を行います。

GitHub – polarfire-soc/polarfire-soc-bare-metal-examples: Bare metal example software projects for PolarFire SoC

2.プロジェクトを開く

①SoftConsoleアプリケーションを起動すると、最初にワークスペースの保存場所を聞かれるので、ディレクトリを指定します。

(fig.2-2-2-1)ワークスペースの指定

②File > Open Project from File System をクリックします。

(fig.2-2-2-1)プロジェクトを開く

③「Directort..」ボタンを押し、Githubからダウンロードした「mpfs-gpio-interrupt」フォルダを指定します。中間のチェックボックスにチェックを入れ、最後に「Finish」ボタンを押します。

(fig.2-2-2-2)プロジェクトを開く

3.プロジェクトの設定

①プロジェクトを右クリックし、「Properties」を選択

(fig.2-2-3-1)プロパティを開く

②「C/C++ Builld 」 から「Build Variables」を選択します。
Configrationが「LIM-Debug-DiscoveryKit[Active]」になっていない場合、「Manage Configuration」ボタンを押します。

(fig.2-2-3-2)ターゲットの確認

③LIM-Debug-DiscoveryKitを選択し「Set Active」ボタンを押します。

(fig.2-2-3-3)ターゲットを設定

④「Apply」ボタンを押します。

(fig.2-2-3-4)確認

⑤「C/C++ Builld 」 から「Setting」を選択し、Configrationが「LIM-Debug-DiscoveryKit[Active]」になっていることを確認します。

(fig.2-2-3-5)確認

⑥「C/C++ Builld 」 から「Tool Chain Editor」を選択し、Configrationが「LIM-Debug-DiscoveryKit[Active]」になっていることを確認します。

(fig.2-2-3-6)確認

⑦「Apply and Close」をクリックし、ウィンドウを閉じます。

4.　LED点灯制御部の追加

デフォルトのコードの118行目以降に、以下のソースコードを追記します。

(fig.2-2-4-1)挿入位置

 //ここから挿入
    uint64_t led_cnt;

    MSS_GPIO_config(GPIO2_LO, MSS_GPIO_0, MSS_GPIO_OUTPUT_MODE);
    MSS_GPIO_config(GPIO2_LO, MSS_GPIO_1, MSS_GPIO_OUTPUT_MODE);
    MSS_GPIO_config(GPIO2_LO, MSS_GPIO_2, MSS_GPIO_INPUT_MODE);
    MSS_GPIO_config(GPIO2_LO, MSS_GPIO_3, MSS_GPIO_INPUT_MODE);
    while(1u)
    {
        if ((MSS_GPIO_get_inputs(GPIO2_LO) >> 2) == 0)
        {
            MSS_GPIO_set_output(GPIO2_LO, MSS_GPIO_1, 1u);
        }
        else
        {
            MSS_GPIO_set_output(GPIO2_LO, MSS_GPIO_1, 0u);
        }

        if ((MSS_GPIO_get_inputs(GPIO2_LO) >> 3) == 1)
        {
            led_cnt ++;
            if (led_cnt < 500000)
            {
                MSS_GPIO_set_output(GPIO2_LO, MSS_GPIO_0, 1u);
               // led_cnt = 1;
            }
            else if (led_cnt < 1000000)
            {
                MSS_GPIO_set_output(GPIO2_LO, MSS_GPIO_0, 0u);
               // led_cnt = 0;
            }
            else
            {
                led_cnt = 0;
            }
        }
    //    shared_var1 = led_cnt;
     //   write_to_shared_memory = led_cnt ;

    }
    //ここまで

5.書込み

「Launch Configration」タブの「GDB OpenOCD Debugging」直下の「mpfs-gpio-interrupt hw all-hart debug」をダブルクリックするとデバッグプログラムが書き込まれます

[Step 2-3]動作確認

SW1を押し、DIPスイッチの1番がOFFになっているときに、LED1が点滅するのが確認できるはずです。

編集後記

正直なところ、まだわからないことが多く、手探りで実験を進めている状態です。ドキュメントは多く揃っているものの、その分資料やページの量が膨大で初めて扱う内容も多いため、情報の整理に苦労しています。

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