Forgot to update pinmux image link
[libreriscv.git] / docs / pinmux.mdwn
index 001cc9f83f23e5850de18f513e14a5d38c60496d..17429715ef6c393d2e68b24871ac53b808329ba9 100644 (file)
@@ -3,9 +3,11 @@
 Links:
 
 * <http://www2.eng.cam.ac.uk/~dmh/4b7/resource/section14.htm>
+* <https://www10.edacafe.com/book/ASIC/CH02/CH02.7.php>
 * <https://ftp.libre-soc.org/Pin_Control_Subsystem_Overview.pdf>
 * <https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=50>
 * <https://git.libre-soc.org/?p=c4m-jtag.git;a=tree;hb=HEAD>
+* Extra info: [[/docs/pinmux/temp_pinmux_info]]
 
 Managing IO on an ASIC is nowhere near as simple as on an FPGA.
 An FPGA has built-in IO Pads, the wires terminate inside an
@@ -14,7 +16,7 @@ In an ASIC, you are going to have to do everything yourself.
 In an ASIC, a bi-directional IO Pad requires three wires (in, out,
 out-enable) to be routed right the way from the ASIC, all
 the way to the IO PAD, where only then does a wire bond connect
-it to a single pin.
+it to a single external pin.
 
 [[!img CH02-44.gif]]
 
@@ -44,7 +46,7 @@ ASICs are much more expensive: not because of their manufacturing
 cost but because far more of them fail due to having been
 literally hit with a hammer many more times*)
 
-Yet, the expectation from the market is to be able to fit 1,000++
+Yet, the expectation from the market is to be able to fit 1,000+
 pins worth of peripherals into only 200 to 400 worth of actual
 IO Pads. The solution here: a GPIO Pinmux, described in some
 detail here <https://ftp.libre-soc.org/Pin_Control_Subsystem_Overview.pdf>
@@ -53,6 +55,104 @@ This page goes over the details and issues involved in creating
 an ASIC that combines **both** JTAG Boundary Scan **and** GPIO
 Muxing, down to layout considerations using coriolis2.
 
+# Resources, Platforms and Pins
+
+When creating nmigen HDL as Modules, they typically know nothing about FPGA
+Boards or ASICs.  They especially do not know anything about the
+Peripheral ICs (UART, I2C, USB, SPI, PCIe) connected to a given FPGA
+on a given PCB, and they should not have to.
+
+Through the Resources, Platforms and Pins API, a level of abstraction
+between peripherals, boards and HDL designs is provided.  Peripherals
+may be given `(name, number)` tuples, the HDL design may "request"
+a peripheral, which is described in terms of Resources, managed
+by a ResourceManager, and a Platform may provide that peripheral.
+The Platform is given
+the resposibility to wire up the Pins to the correct FPGA (or ASIC)
+IO Pads, and it is the HDL design's responsibility to connect up
+those same named Pins, on the other side, to the implementation
+of the PHY/Controller, in the HDL.
+
+Here is a function that defines a UART Resource:
+
+    #!/usr/bin/env python3
+    from nmigen.build.dsl import Resource, Subsignal, Pins
+
+    def UARTResource(*args, rx, tx):
+      io = []
+      io.append(Subsignal("rx", Pins(rx, dir="i", assert_width=1)))
+      io.append(Subsignal("tx", Pins(tx, dir="o", assert_width=1)))
+      return Resource.family(*args, default_name="uart", ios=io)
+
+Note that the Subsignal is given a convenient name (tx, rx) and that
+there are Pins associated with it.
+UARTResource  would typically be part of a larger function that defines,
+for either an FPGA or an ASIC, a full array of IO Connections:
+
+    def create_resources(pinset):
+       resources = []
+       resources.append(UARTResource('uart', 0, tx='A20', rx='A21'))
+       # add clock and reset
+       clk = Resource("clk", 0, Pins("sys_clk", dir="i"))
+       rst = Resource("rst", 0, Pins("sys_rst", dir="i"))
+       resources.append(clk)
+       resources.append(rst)
+       return resources
+
+For an FPGA, the Pins names are typically the Ball Grid Array
+Pad or Pin name: A12, or N20.  ASICs can do likewise: it is
+for convenience when referring to schematics, to use the most
+recogniseable well-known name.
+
+Next, these Resources need to be handed to a ResourceManager or
+a Platform (Platform derives from ResourceManager)
+
+    from nmigen.build.plat import TemplatedPlatform
+    class ASICPlatform(TemplatedPlatform):
+      def __init__(self, resources):
+          super().__init__()
+          self.add_resources(resources)
+
+An HDL Module may now be created, which, if given
+a platform instance during elaboration, may request
+a UART (caveat below):
+
+    from nmigen import Elaboratable, Module, Signal
+
+    class Blinker(Elaboratable): 
+      def elaborate(self, platform):
+          m = Module()
+          # get the UART resource, mess with the output tx
+          uart = platform.request('uart')
+          intermediary = Signal()
+          m.d.comb += uart.tx.eq(~intermediary) # invert, for fun
+          m.d.comb += intermediary.eq(uart.rx) # pass rx to tx
+          return m
+
+The caveat here is that the Resources of the platform actually
+have to have a UART in order for it to be requestable! Thus:
+
+    resources = create_resources() # contains resource named "uart"
+    asic = ASICPlatform(resources)
+    hdl = Blinker()
+    asic.build(hdl)
+
+Finally the association between HDL, Resources, and ASIC Platform
+is made:
+
+* The Resources contain the abstract expression of the
+type of peripheral, its port names, and the corresponding
+names of the IO Pads associated with each port.
+* The HDL which knows nothing about IO Pad names requests
+  a Resource by name
+* The ASIC Platform, given the list of Resources, takes care
+  of connecting requests for Resources to actual IO Pads.
+
+This is the simple version.  When JTAG Boundary Scan needs
+to be added, it gets a lot more complex.
+
 # JTAG Boundary Scan
 
 JTAG Scanning is a (paywalled) IEEE Standard: 1149.1 which with
@@ -63,16 +163,16 @@ Scan chaining can also connect multiple ASICs together so that
 the same test can be run on a large batch of ASICs at the same
 time.
 
-IO Pads come in four primary different types:
+IO Pads generally come in four primary different types:
 
 * Input
 * Output
 * Output with Tristate (enable)
-* Bi-directional Input/Output with direction enable
+* Bi-directional Tristate Input/Output with direction enable
 
 Interestingly these can all be synthesised from one
-Bi-directional IO Pad.  Other features such as Differential
-Pairs may also be constructed from an inverter and a pair
+Bi-directional Tristate IO Pad.  Other types such as Differential
+Pair Transmit may also be constructed from an inverter and a pair
 of IO Pads.  Other more advanced features include pull-up
 and pull-down resistors, Schmidt triggering for interrupts,
 different drive strengths, and so on, but the basics are
@@ -80,12 +180,13 @@ that the Pad is either an input, or an output, or both.
 
 The JTAG Boundary Scan therefore needs to know what type
 each pad is (In/Out/Bi) and has to "insert" itself in between
-the wires, which may be just an input, or just an output,
+*all* the Pad's wires, which may be just an input, or just an output,
 and, if bi-directional, an "output enable" line.
 
 The "insertion" (or, "Tap") into those wires requires a
 pair of Muxes for each wire.  Under normal operation
-the Muxes bypass JTAG entirely: the IO Pad is connected
+the Muxes bypass JTAG entirely: the IO Pad is connected,
+through the two Muxes,
 directly to the Core (a hardware term for a "peripheral",
 in Software terminology).
 
@@ -99,7 +200,7 @@ When JTAG Scan is enabled, then for every pin that is
 
 In this way, not only can JTAG control or read the IO Pad,
 but it can also read or control the Core (peripheral).
-This is its entire purpose: to allow for the detection
+This is its entire purpose: interception to allow for the detection
 and triaging of faults.
 
 * Software may be uploaded and run which sets a bit on
@@ -118,10 +219,333 @@ and triaging of faults.
 <img src="https://libre-soc.org/shakti/m_class/JTAG/jtag-block.jpg"
   width=500 />
 
+## C4M JTAG TAP
+
+Staf Verhaegen's Chips4Makers JTAG TAP module includes everything
+needed to create JTAG Boundary Scan Shift Registers,
+as well as the IEEE 1149.1 Finite State Machine to access
+them through TMS, TDO, TDI and TCK Signalling.  However,
+connecting up cores (a hardware term: the equivalent software
+term is "peripherals") on one side and the pads on the other is
+especially confusing, but deceptively simple.  The actual addition
+to the Scan Shift Register is this straightforward:
+
+    from c4m.nmigen.jtag.tap import IOType, TAP
+
+    class JTAG(TAP):
+       def __init__(self):
+           TAP.__init__(self, ir_width=4)
+           self.u_tx = self.add_io(iotype=IOType.Out, name="tx")
+           self.u_rx = self.add_io(iotype=IOType.In, name="rx")
+
+This results in the creation of:
+
+* Two Records, one of type In named rx, the other an output
+  named tx
+* Each Record contains a pair of sub-Records: one core-side
+  and the other pad-side
+* Entries in the Boundary Scan Shift Register which if set
+  may control (or read) either the peripheral / core or
+  the IO PAD
+* A suite of Muxes (as shown in the diagrams above) which
+  allow either direct connection between pad and core
+  (bypassing JTAG) or interception
+
+During Interception Mode (Scanning) pad and core are connected
+to the Shift Register.  During "Production" Mode, pad and
+core are wired directly to each other (on a per-pin basis,
+for every pin. Clearly this is a lot of work).
+
+It is then your responsibility to:
+
+* connect up each and every peripheral input and output
+  to the right IO Core Record in your HDL
+* connect up each and every IO Pad input and output
+  to the right IO Pad in the Platform. **This
+  does not happen automatically and is not the
+  responsibility of the TAP Interface*
+
+The TAP interface connects the **other** side of the pads
+and cores Records: **to the Muxes**.  You **have** to
+connect **your** side of both core and pads Records in
+order for the Scan to be fully functional.
+
+Both of these tasks are painstaking and tedious in the
+extreme if done manually, and prone to either sheer boredom,
+transliteration errors, dyslexia triggering or just utter
+confusion.  Despite this, let us proceed, and, augmenting
+the Blinky example, wire up a JTAG instance:
+
+    class Blinker(Elaboratable): 
+      def elaborate(self, platform):
+          m = Module()
+          m.submodules.jtag = jtag = JTAG()
+
+          # get the records from JTAG instance
+          utx, urx = jtag.u_tx, jtag.u_rx
+          # get the UART resource, mess with the output tx
+          p_uart = platform.request('uart')
+
+          # uart core-side from JTAG
+          intermediary = Signal()
+          m.d.comb += utx.core.o.eq(~intermediary) # invert, for fun
+          m.d.comb += intermediary.eq(urx.core.i) # pass rx to tx
+
+          # wire up the IO Pads (in right direction) to Platform
+          m.d.comb += uart.rx.eq(utx.pad.i) # receive rx from JTAG input pad
+          m.d.comb += utx.pad.o.eq(uart.tx) # transmit tx to JTAG output pad
+          return m
+
+Compared to the non-scan-capable version, which connected UART
+Core Tx and Rx directly to the Platform Resource (and the Platform
+took care of wiring to IO Pads):
+
+* Core HDL is instead wired to the core-side of JTAG Scan
+* JTAG Pad side is instead wired to the Platform
+* (the Platform still takes care of wiring to actual IO Pads)
+
+JTAG TAP capability on UART TX and RX has now been inserted into
+the chain.  Using openocd or other program it is possible to
+send TDI, TMS, TDO and TCK signals according to IEEE 1149.1 in order
+to intercept both the core and IO Pads, both input and output,
+and confirm the correct functionality of one even if the other is
+broken, during ASIC testing.
+
+## Libre-SOC Automatic Boundary Scan
+
+Libre-SOC's JTAG TAP Boundary Scan system is a little more sophisticated:
+it hooks into (replaces) ResourceManager.request(), intercepting the request
+and recording what was requested.  The above manual linkup to JTAG TAP
+is then taken care of **automatically and transparently**, but to
+all intents and purposes looking exactly like a Platform even to
+the extent of taking the exact same list of Resources.
+
+    class Blinker(Elaboratable):
+      def __init__(self, resources):
+          self.jtag = JTAG(resources)
+
+      def elaborate(self, platform):
+          m = Module()
+          m.submodules.jtag = jtag = self.jtag
+
+          # get the UART resource, mess with the output tx
+          uart = jtag.request('uart')
+          intermediary = Signal()
+          m.d.comb += uart.tx.eq(~intermediary) # invert, for fun
+          m.d.comb += intermediary.eq(uart.rx) # pass rx to tx
+
+          return jtag.boundary_elaborate(m, platform)
+
+Connecting up and building the ASIC is as simple as a non-JTAG,
+non-scanning-aware Platform:
+
+    resources = create_resources()
+    asic = ASICPlatform(resources)
+    hdl = Blinker(resources)
+    asic.build(hdl)
+
+The differences:
+
+* The list of resources was also passed to the HDL Module
+  such that JTAG may create a complete identical list
+  of both core and pad matching Pins
+* Resources were requested from the JTAG instance,
+  not the Platform
+* A "magic function" (JTAG.boundary_elaborate) is called
+  which wires up all of the seamlessly intercepted
+  Platform resources to the JTAG core/pads Resources,
+  where the HDL connected to the core side, exactly
+  as if this was a non-JTAG-Scan-aware Platform.
+* ASICPlatform still takes care of connecting to actual
+  IO Pads, except that the Platform.resource requests were
+  triggered "behind the scenes". For that to work it
+  is absolutely essential that the JTAG instance and the
+  ASICPlatform be given the exact same list of Resources.
+
+
 ## Clock synchronisation
 
+Take for example USB ULPI:
+
+<img src="https://www.crifan.com/files/pic/serial_story/other_site/p_blog_bb.JPG"
+width=400 />
+
+Here there is an external incoming clock, generated by the PHY, to which
+both Received *and Transmitted* data and control is synchronised.  Notice
+very specifically that it is *not the main processor* generating that clock
+Signal, but the external peripheral (known as a PHY in Hardware terminology)
+
+Firstly: note that the Clock will, obviously, also need to be routed
+through JTAG Boundary Scan, because, after all, it is being received
+through just another ordinary IO Pad, after all.  Secondly: note thst
+if it didn't, then clock skew would occur for that peripheral because
+although the Data Wires went through JTAG Boundary Scan MUXes, the
+clock did not.  Clearly this would be a problem.
+
+However, clocks are very special signals: they have to be distributed
+evenly to all and any Latches (DFFs) inside the peripheral so that
+data corruption does not occur because of tiny delays.
+To avoid that scenario, Clock Domain Crossing (CDC) is used, with
+Asynchronous FIFOs:
+
+        rx_fifo = stream.AsyncFIFO([("data", 8)], self.rx_depth, w_domain="ulpi", r_domain="sync")
+        tx_fifo = stream.AsyncFIFO([("data", 8)], self.tx_depth, w_domain="sync", r_domain="ulpi")
+        m.submodules.rx_fifo = rx_fifo
+        m.submodules.tx_fifo = tx_fifo
+
+However the entire FIFO must be covered by two Clock H-Trees: one
+by the ULPI external clock, and the other the main system clock.
+The size of the ULPI clock H-Tree, and consequently the size of
+the PHY on-chip, will result in more Clock Tree Buffers being
+inserted into the chain, and, correspondingly, matching buffers
+on the ULPI data input side likewise must be inserted so that
+the input data timing precisely matches that of its clock.
+
+The problem is not receiving of data, though: it is transmission
+on the output ULPI side.  With the ULPI Clock Tree having buffers
+inserted, each buffer creates delay.  The ULPI output FIFO has to
+correspondingly be synchronised not to the original incoming clock
+but to that clock *after going through H Tree Buffers*.  Therefore,
+there will be a lag on the output data compared to the incoming
+(external) clock
+
+# Pinmux GPIO Block
+The following diagram is an example of a GPIO block with switchable banks and comes from the Ericson presentation on a GPIO architecture.
+[[!img gpio_block.png size="600x"]]
+
+The block we are developing is very similar, but is lacking some of configuration of the former (due to complexity and time constraints).
+
+## Diagram
+[[!img banked_gpio_block.jpg size="600x"]]
+
+*(Diagram is missing the "ie" signal as part of the bundle of signals given to the peripherals, will be updated later)*
+
+## Explanation
+The simple GPIO module is multi-GPIO block integral to the pinmux system.
+To make the block flexible, it has a variable number of of I/Os based on an
+input parameter.
+
+By default, the block is memory-mapped WB bus GPIO. The CPU
+core can just write the configuration word to the GPIO row address. From this
+perspective, it is no different to a conventional GPIO block.
+
+### Bank Select Options
+* bank 0 - WB bus has full control (GPIO peripheral)
+* bank 1,2,3 - WB bus only controls puen/pden, periphal gets o/oe/i/ie (Not
+fully specified how this should be arranged yet)
+
+Bank select however, allows to switch over the control of the GPIO block to
+another peripheral. The peripheral will be given sole connectivity to the
+o/oe/i/ie signals, while additional parameters such as pull up/down will either
+be automatically configured (as the case for I2C), or will be configurable
+via the WB bus. *(This has not been implemented yet, so open to discussion)*
+
+## Configuration Word
+After a discussion with Luke on IRC (14th January 2022), new layout of the
+8-bit data word for configuring the GPIO (through CSR):
+
+* oe - Output Enable (see the Ericson presentation for the GPIO diagram)
+* ie - Input Enable
+* puen - Pull-Up resistor enable
+* pden - Pull-Down resistor enable
+* i/o - When configured as output (oe set), this bit sets/clears output. When
+configured as input, shows the current state of input (read-only)
+* bank_sel[2:0] - Bank Select (only 4 banks used)
+
+### Simultaneous/Packed Configuration
+To make the configuration more efficient, multiple GPIOs can be configured with
+one data word. The number of GPIOs in one "row" is dependent on the width of the
+WB data bus.
+
+If for example, the data bus is 64-bits wide, eight GPIO configuration bytes -
+and thus eight GPIOs - are configured in one go. There is no way to specify
+which GPIO in a row is configured, so the programmer has to keep the current
+state of the configuration as part of the code (essentially a shadow register).
+
+The diagram below shows the layout of the configuration byte, and how it fits
+within a 64-bit data word.
+
+[[!img gpio_csr_example.jpg size="600x"]]
+
+If the block is created with more GPIOs than can fit in a single data word,
+the next set of GPIOs can be accessed by incrementing the address.
+For example, if 16 GPIOs are instantiated and 64-bit data bus is used, GPIOs
+0-7 are accessed via address 0, whereas GPIOs 8-15 are accessed by address 8
+(TODO: DOES ADDRESS COUNT WORDS OR BYTES?)
+
+## Example Memory Map
+[[!img gpio_memory_example.jpg size="600x"]]
+
+The diagrams above show the difference in memory layout between 16-GPIO block
+implemented with 64-bit and 32-bit WB data buses.
+The 64-bit case shows there are two rows with eight GPIOs in each, and it will
+take two writes (assuming simple WB write) to completely configure all 16 GPIOs.
+The 32-bit on the other hand has four address rows, and so will take four write transactions.
+
+64-bit:
+
+* 0x00 - Configure GPIOs  0-7
+* 0x01 - Configure GPIOs  8-15
+
+32-bit:
+
+* 0x00 - Configure GPIOs  0-3
+* 0x01 - Configure GPIOs  4-7
+* 0x02 - Configure GPIOs  8-11
+* 0x03 - Configure GPIOs 12-15
+
+
+## Combining JTAG BS Chain and Pinmux (In Progress)
+[[!img io_mux_bank_planning.JPG size="600x"]]
+
+The JTAG BS chain need to have access to the bank select bits, to allow
+selecting different peripherals during testing. At the same time, JTAG may
+also require access to the WB bus to access GPIO configuration options
+not available to bank 1/2/3 peripherals.
+
+### Proposal
+TODO: REWORK BASED ON GPIO JTAG DIAGRAMS BELOW
+The proposed JTAG BS chain is as follows:
+
+* Between each peripheral and GPIO block, add a JTAG BS chain. For example
+the I2C SDA line will have core o/oe/i/ie, and from JTAG the pad o/oe/i/ie will
+connect to the GPIO block's ports 1-3.
+* Provide a test port for the GPIO block that gives full access to configuration
+(o/oe/i/ie/puen/pden) and bank select. Only allow full JTAG configuration *IF*
+ban select bit 2 is set!
+* No JTAG chain between WB bus and GPIO port 0 input *(not sure what to do for
+this, or whether it is even needed)*.
+
+Such a setup would allow the JTAG chain to control the bank select when testing
+connectivity of the peripherals, as well as give full control to the GPIO
+configuration when bank select bit 2 is set.
+
+For the purposes of muxing peripherals, bank select bit 2 is ignored. This means
+that even if JTAG is handed over full control, the peripheral is still connected
+to the GPIO block (via the BS chain).
+
+Signals for various ports:
+
+* WB bus or Periph0: WB data read, data write, address, cyc, stb, ack
+* Periph1/2/3: o,oe,i,ie (puen/pden are only controlled by WB, test port, or
+fixed by functionality)
+* Test port: bank_select[2:0], o,oe,i,ie,puen,pden. In addition, internal
+address to access individual GPIOs will be available (this will consist of a
+few bits, as more than 16 GPIOs per block is likely to be to big).
+
+As you can see by the above list, the GPIO block is becoming quite a complex
+beast. If there are suggestions to simplify or reduce some of the signals,
+that will be helpful.*
+
+The diagrams below show 1-bit GPIO connectivity, as well as the 4-bit case.
+
+[[!img gpio_jtag_1bit.jpg size="600x"]]
+
+[[!img gpio_jtag_4bit.jpg size="600x"]]
+
+# Core/Pad Connection + JTAG Mux
 
+Diagram constructed from the nmigen plat.py file.
 
-# GPIO Muxing
+[[!img i_o_io_tristate_jtag.JPG size="600x"]]
 
-[[!img gpio_block.png]]