基于FPGA的片上可編程系統(tǒng)(SOPC)設計之:典型實例-基于NIOS II處理器的“Hello LED”程序設計
8.4典型實例14:基于NIOSII處理器的“HelloLED”程序設計
8.4.1實例的內容及目標
1.實例的主要內容
本節(jié)旨在通過給定的工程實例——“HelloLED”來熟悉Altera軟嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設計方法。同時使用基于AlteraFPGA的開發(fā)板將該實例進行下載驗證,完成工程設計的硬件實現(xiàn)。本節(jié)主要講解下面一些知識點。
·QuartusIISOPCBuilder使用方法。
·NIOSIIIDE軟件開發(fā)流程。
通過這些知識點,按照本節(jié)實例的實現(xiàn)過程,讀者可以迅速掌握Altera軟嵌入式軟硬件設計方法。
2.實例目標
通過詳細的流程講解,讀者應達到下面的目標。
·熟悉QuartusIISOPCbuilder使用方法。
·熟悉NIOSIIIDE軟件設計方法。
8.4.2實例詳解
本實例使用圖解的方式將整個流程一步一步展現(xiàn)給讀者,使讀者能夠輕松掌握開發(fā)的流程。
本實例重點在于熟悉使用QuartusⅡ和SOPCBuilder來創(chuàng)建一個NiosⅡ嵌入式處理器系統(tǒng),并通過軟件編程實現(xiàn)對實驗板上面的LED燈的控制,具體實現(xiàn)過程如下。
(1)新建工程。
新建一個工程目錄“sopc_led”,在此目錄下建立一個名為“sopc_led”的QuartusII工程,并新建一個頂層圖,保存于工程中。
(2)SOPCBuilder定制NIOSII處理器。
用SOPCBuilder定制NiosII處理器及其外設。打開“Tools”/“SOPCBuilder”,如圖8.30所示。
圖8.30打開Tools--SOPCBuilder
指定系統(tǒng)名字,本例中我們輸入niosii_c。單擊“OK”按鈕進入SOPC定制界面。
圖8.31SOPCBuilder界面
為“Target”選擇“UnspecifiedBoard”,為“Clock(MHz)”選擇時鐘頻率為50.0,為“TargetDeviceFamily”選擇目標器件系列為Cyclone。
在SOPC定制界面的左邊,我們可以看到有很多功能模塊,用戶可以按照需要將這些模塊添加到所設計的系統(tǒng)中。
首先,我們需要一個CPU。選擇“NiosIIProcessor”/“AlteraCorporation”,彈出AlteraNiosII對話框,我們選擇一個經(jīng)濟型的CPU核,即NiosII/e,如圖8.32所示。
圖8.32加入NIOSIICPU
單擊“JTAGDebugModule”標簽頁,選擇第一級調試支持Level1:特點是占用邏輯資源少,編譯速度快,不包括緩存,如圖8.33所示。
圖8.33設置CPU調試模型
單擊“Finish”按鈕完成NiosIICPU的配置工作。項目中會增加一個NiosII處理器,名字為cpu_0,為了簡便起見,沒有將它改名。改名的方法是:單擊右鍵,選擇“Rename”,輸入名字后回車即可,如圖8.34。
圖8.34定制CPU完成圖
(3)SOPCBuilder定制JTAG串口。
在左側器件池中雙擊“JTAGUARTInterface”,使用默認參數(shù)設置,如圖8.35所示。
它是NiosII系統(tǒng)嵌入式處理器新添加的接口元件,通過內嵌在AlteraFPGA內部的聯(lián)合測試行動組(JTAG)電路,在PC主機和FPGA之間進行串行字符流通信。特點是在運行時在調試區(qū)輸入信息可以與FPGA進行交互。
(4)SOPCBuilder定制計時器。
在左側器件池中雙擊“IntervalTimer”。定時器對于HAL系統(tǒng)庫中的器件驅動非常有用,比如JTAGUART驅動使用定時器來實現(xiàn)10s的暫停。選擇“IntervalTimer”,在設置向導中周期選擇1msec,預設置中選擇Full-featured,如圖8.36所示。
圖8.35JTAGUART參數(shù)設置 圖8.36計時器設置
(5)SOPCBuilder定制外部Flash。
在左側器件池中雙擊“CompactFlashInterface”。在“Presets”中選自定義Custom,地址寬度21bits,帶寬16bits。由于Flash是通用設備,所以時序標簽使用默認設置。如圖8.37和8.38所示。
圖8.37Flash帶寬設參數(shù)置界面 圖8.38Flash時序參數(shù)設置界面
(6)SOPCBuilder定制外部SDRAM。
通常的系統(tǒng)都需要用戶指定一個內存空間,這個內存是指RAM,可以是片上的,也可以是片外的SDRAM或SRAM等。如果用戶程序較大,超出了FPGA所能定制的最大片上RAM容量,則也可以將程序放在SDRAM中運行。在左側器件池中雙擊“SDRAMcontroller”。
在“Presets”中選擇“micronMT48LC4M32B2-7chip”,其他的參數(shù)設置可以使用系統(tǒng)的默認選項,如圖8.39所示。
(7)SOPCBuilder定制外部RAM總線。
添加外部RAM總線(AvalonTri-StateBridge)。軟件使用Avalon接口來連接片上元件和Avalon主從端口。
圖8.39SDRAM參數(shù)設置
在Nios開發(fā)板上,要實現(xiàn)Nios系統(tǒng)與FPGA片外存儲器通信,就必須在Avalon總線和連接外部存儲器的總線之間添加一個橋,這個橋就是Avalon三態(tài)總線,如圖8.40所示。
圖8.40添加外部RAM總線
(8)SOPCBuilder定制串行通信設備UART。
通用串行總線RS-232協(xié)議是我們最常用的通信協(xié)議,所以把它也添加到我們的系統(tǒng)里。注意選擇所需的數(shù)據(jù)幀格式,如圖8.41所示。
(9)SOPCBuilder定制LCD液晶模塊。
使用標準16027字符型液晶顯示器。
(10)SOPCBuilder定制systemid。
在SOPCBuilder中使用默認定制的systemid。
(11)SOPCBuilder定制PIO。
添加4個LED和輸入設備按鍵開關PIO,這是一個標準SOPC一般所需要的設備。
(12)SOPCBuilder指定基地址和中斷編號。
首先修改Flash的基地址為0x00000000,之后在Flash上單擊右鍵鎖定基地址,如圖8.42所示。
圖8.41串行通信設備UART參數(shù)設置
圖8.42鎖定Flash基地址
然后,選擇“System”/“Auto-AssignBaseAddresses”,讓系統(tǒng)自動分配基地址,如圖8.43所示。
圖8.43自動分配系統(tǒng)設備地址
最后,選擇“System”/“Auto-AssignIRQs”,讓系統(tǒng)自動分配中斷,如圖8.44所示。
(13)SOPCBuilderNIOSIICPU其他設置。
單擊“NiosIIMore“cpu_0”Settings”選項卡,進行處理器設定。在本實例中,將“ResetAddress”修改為“ext_flash”,“ExceptionAddress”修改為“sdram”,“BreakLocation”使用默認值,如圖8.45所示。
圖8.45自動分配系統(tǒng)設備中斷編號
(14)生成軟嵌入式系統(tǒng)IP核。
單擊“SystemGeneration”選項卡,進行最后的設定并生成系統(tǒng)。選中“HDLGeneratesystemmodulelogicinVerilog”。如果需要仿真,也選擇“SimulationCreateModelSim(tm)projectfiles”,然后單擊“Generate”按鈕,執(zhí)行系統(tǒng)生成的任務。
然后,耐心地等待系統(tǒng)的生成。一般沒有問題的話,可以看到系統(tǒng)提示“SUCCESS:SYSTEMGENERATIONCOMPLETED”。如果看到此信息,則說明系統(tǒng)被正確生成了。如果失敗,請返回并檢查、修改。
(15)在QuartusII工程中添加上述NIOS系統(tǒng)。
類似向QuartusII工程添加功能模塊一樣,將所定制的NiosII軟核CPU添加到本例工程中。雙擊工程頂層圖空白處,彈出“Symbol”對話框,在“Project”下面可以找到剛才建立的niosii_c模塊,如圖8.46所示。
圖8.46在QuartusII中添加IP核
單擊“OK”按鈕將其niosii_c添加到頂層圖中。
(16)在QuartusII工程中添加端口分配管腳編譯。
首先在QuartusII中將NIOS等端口添加至工程中,并為工程添加相應的管腳約束,然后即可對工程進行編譯。
(17)設計該工程軟件。
首先在AlteraSOPCBuilder中,點擊RunNiosIIIDE,啟動NiosIIIDE,如圖8.47所示。
圖8.47打開NIOSIIIDE軟件
接下來我們要設計該工程的軟件。運行NiosIDE,在NiosIIIDE中,選擇“File”/“New”/“Project”選項,開啟“NewProject”對話框,選擇“C/C++Application”,如圖8.48所示。
圖8.48新建軟件工程
然后單擊“Next”按鈕,進入下一步,在模板中選擇“HelloLED”,如圖8.49所示。
單擊“SOPCBuilderSystem”右邊的“Browse”按鈕打開目錄對話框,從該工程目錄下找到“niosii_c.ptf”,因為NiosIIIDE必須從這個文件獲取該系統(tǒng)的相關信息。單擊“Finish”按鈕,即建立一個名為Hello_LED_0的模板。
打開項目中的文件:hello_led.c,根據(jù)需要進行修改。在本實例程序中,“PIO_0_BASE”名稱中的“PIO_0”應改為SOPCBuilder定義時的名稱,如圖8.49中的“Hello_LED_0”。
圖8.49采用設計模板
(18)編譯軟件。
右鍵單擊“hello_led_0”,在彈出的菜單中選擇“BuildProject”。(為使編譯過程更加順利,此時最好關閉殺毒軟件和其他占用電腦資源較大的軟件)。
如果無誤,可以看到以下信息:Buildcompleted。如果看到了這條提示,表示軟件編譯成功,可以看到程序占用空間等信息。
(19)下載驗證。
最后我們還要回到QuartusⅡ里面選擇“Tools”菜單里面的“Programmer”,下載整個配置到FPGA中去。
然后在NiosII環(huán)境中單擊“RunAsNiosIIHardware”按鈕將C程序下載到實驗板中。
本實例最終的硬件實現(xiàn)現(xiàn)象是led跑馬燈。
8.4.3小結
本節(jié)講解了一個完整的軟嵌入式設計流程。雖然此實例實現(xiàn)的功能比較簡單,但對于初學者來說,是一個不錯的入門實例。其中硬件設計部分(SoPCbuilder)包括開發(fā)板上所有設備,以后讀者可以在此硬件平臺上建立多個軟件運行。
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