基于 Nios II 的串口打印和流水灯设计【使用 Quartus 软件】【掌握 SOPC 开发流程】
内容导读
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内容图文
目录
一、前言
实验目的
- （1）学习 Quartus II 13.1、Platform Designer、Nios II SBT 的基本操作；
- （2）初步了解 SOPC 的开发流程，基本掌握 Nios II 软核的定制方法；
- （3）掌握 Nios II 软件的开发流程，软件的基本调试方法。
实验设备
- 硬件：PC 机、DE2-115 FPGA 实验开发平台；
- 软件：Quartus II 13.1、Platform Designer、Nios II SBT（后两个软件可以从 Quartus II 13.1 中打开）。
实验内容
- 使用 FPGA 资源搭建一个简单 Nios II 处理器系统，具体包括：
- (1) 在 Quartus II 中建立一个工程；
- (2) 使用 PD 建立并生成一个简单的基于 Nios II 的硬件系统；
- (3) 在 Quartus II 工程中编译基于 Nios II 的硬件系统并生成配置文件 .sof；
- (4) 在 Nios II SBT 中建立对应硬件系统的用户 C/C++ 工程，编写一简单用户程序，在 Nios II SBT 中编译程序生成可执行文件 .elf；
- (5) 将配置文件 .sof 和可执行文件 .elf 都下载到 FPGA 进行调试运行。
实验原理
- 控制 LED 灯闪烁的用户程序代码很小，可将其固化在片内 ROM 来执行。变量、堆栈等空间使用片内 RAM，不使用任何片外存储器。整个系统的框图如图 1 所示。
- 从图 1.1 控制 LED 闪烁的系统框图可知，其它逻辑与 Nios II 系统一样可存在于 FPGA 中。Nios II 系统可与其它片内逻辑相互作用，取决于整个系统的需要。为了简单起见，本实验在 FPGA 内不包括其它逻辑。
二、实验步骤
第一步：硬件部分设计
1）建立新项目
- 使用 Quartus II 新建项目：【File】→【New Project Wizard…】。
- 继续点击【Next >】进入如下界面：选择工程保存路劲及工程名，然后点击【Next >】。
- 继续点击【Next >】进入如下界面：芯片系列选择【Cyclone IV E】，再选择【EP4CE115F29C7】后，点击【Next >】。
- 继续点击【Next >】，然后点击【Finish】即可创建完成。
2）进行 Qsys 系统设计
（1）打开 Qsys。
- 点击【Tools】→【Qsys】。
（2）保存文件。
- 点击【File】→【Save】。
- 输入文件名
kernel，然后点击【保存】。
（3）设置时钟。
- 双击或者右键
clk_0元件，点击【Edit】。
- 时钟设为 50M Hz，然后点击【Finish】。
（4）添加 CPU 和外围器件。
——① 添加 Nios II 32-bit CPU。
- 元件列表内搜索 “ nios ”，选择【Nios II Processor】，点击【Add…】。
- 弹出元件配置窗口，保持默认配置即可，点击右下角的【Finish】完成配置。
- 右击添加的 Nios II 32-bit CPU 元件，点击【Rename】，重命名为【cpu】。
说明：
（1）名字最前面应该使用英文；
（2）能使用的字符只有英文字母、数字、下划线 “ _ ”；
（3）不能连续使用 “ _ ”符号，在名字的最后也不能使用 “ _ ”。
- 将 cpu 的 clk 和 reset_n 分别与系统时钟 clk_0 的 clk 和 clk_reset 相连，如下图所示（点击结点即可连接）。
——② 添加 jtag uart 接口。
jtag uart 接口是 Nios II 嵌入式处理器新添加的接口元件，通过内嵌在 Intel FPGA 内部的 JTAG 电路，可以实现在 PC 主机与 Qsys 系统之间进行串行字符流通信。
- 搜索 “ jtag ” ，选择【JTAG UART】元件，点击【Add…】添加。
- 弹出的配置窗口，依然保持默认配置，点击右下角【Finish】。
- 再重命名为【jtag_uart】。
- 进行 clk、reset、avalon_jtag_slave 的连线，以及中断 irq 连线，中断号设为 0。
——③ 添加片上存储器 On-Chip Memory（RAM）核。
- 搜索框输入 “ On Chip ”，找到【On-Chip Memory(RAM or ROM)】，点击【Add…】添加。
- 配置窗口内，设置内存为 40960（40 KB），其余保持默认，再点击【Finish】。
- 重命名为【onchip_ram】。
- 连接 clk1、s1、reset1 如下图所示。
——④ 添加 PIO 接口。
- 搜索框输入 “ pio ”，选择【PIO (Parallel I/O)】后点击【Add…】添加。
- 确定 Width 为 8 bits，Direction 选择 output ，其它保持默认。
- 重命名为 【pio_led】。
- 引出管脚：双击 Export 列的 external_connection ，命名为 out_led。
- 连接 clk、reset、s1 如下图所示。
——⑤ 添加片 System ID Peripheral 核。
- 搜索 “ sys ”，选择【System ID Peripheral】后，点击【Add…】添加。
- 保持默认配置，点击【Finish】。
- 重命名为 【sysid】。
- 再连接 clk、reset、control_slave 如下图所示。
——⑥ 完整 Qsys 系统设计。
- 所有元件及相关连线情况如下图所示：
3）完成 Qsys 设计的后续工作
（1）基地址分配。
- 点击【System】→【Assign Base Addresses】。
- 完成后，【Base】一列不再出现重复的具体的地址。
（2）指定 Nios II 的复位和异常地址。
- 双击 cpu 配置属性，在【Core Nios II】栏。
- 配置 Reset Vector 和 Exception Vector 为【onchip_ram.s1】。
（3）使用 FPGA 资源。
- 点击【Generate】→【Generate…】。
- 如果提示是否保存 .qsys 文件，选择保存。
- 点击【Generate】，再点击【Save】。
- 点击【Close】关闭窗口。
- 最后关闭 Qsys 窗口，返回到 Quartus 窗口。
4）原理图设计
（1）新建原理图文件
- 点击【File】→【New…】。
- 选择【Block Diagram/Schematic File】，再点击【OK】。
- 点击元件按钮，搜索前面创建的【kernel】，放置在原理图上。
（2）加入 Quartus II IP File 文件。
- 点击【Assignments】→【Settings】。
- 选择 kernel.qip 文件，是在
..\kernel\synthesis目录下，选中并打开它。
- 点击【Add】添加进去。，再点击【OK】。
（3）进行逻辑连接和生成管脚。
- 右击 kernel 模块，点击【Generate Pin for Symbol Ports】生成管脚。
- 双击管脚名，重命名为 clk、reset_n、pio_led[7…0] 即可。
（4）芯片引脚设置。
- 点击【Assignments】→【Device】。
- 点击【Device Pin Options】。
- 将未用的引脚设置为【As input tri-stated】。
- 将特殊引脚设置为常规引脚【Use as regular I/O】，最后点击【OK】。
- 再点击一次【OK】。
（5）保存原理图文件。
- 如下图所示。
5）编译工程及物理针脚分配。
（1）编译工程
- 点击播放按钮，开始编译工程。
- 无错即可。
（2）分配物理针脚
- 点击【Pin Planner】快捷键。
- 按照下图所示分配针脚：
- 关闭针脚配置界面，回到 Quartus 后再次编译项目。
- 至此完成项目的硬件设计。
第二步：软件部分设计
1）启动 Nios II SBT
- 点击【Tools】→【Nios II Software Build Tools for Eclipse】。
- 工作空间选择该项目文件夹。
2）创建工程
- 点击【File】→【New】→【Nios II Application and BSP from Template】。
- 选择 kernel.sopcinfo 文件，再输入工程名，选择 Hello World ，最后点击【Finish】即可。
- 打开 hello_world.c 文件，修改为如下代码。
#include <stdio.h>
#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
const alt_u8
led_data[8]={0x01,0x03,0x07,0x0F,0x1F,0x3F,0x7F,0xFF};
int main (void) {
int count=0;
alt_u8 led;
volatile int i;
//串口打印
printf("Hello world!\n");
//流水灯循环
while (1)
{
if (count==7)
{
count=0;
}
else
{
count++;
}
led=led_data[count];
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PIO_LED_BASE, led);
//延时的设置
i = 0;
while (i<5000000)
i++;
}
return 0;
}
- 右击工程名，点击【Build Project】编译。
- 编译完成。
3）运行项目
（1）配置 FPGA。
- 首先连接 JTAG 到开发板，确定 PC 已正确安装驱动、防火墙不会影响到 JTAG 的正常工作。
- 最后给开发板上电。
- 启动【Quartus Prime Programmer】。
- 添加下载文件，然后点击【Start】开始下载，下载成功后关闭，回到 Eclipse 主界面。
（2）运行/调试程序。
- 点击【Run】→【Run Configurations…】。
- 转到【Target Connection】标签栏，点击右侧的【Refresh Connections】将 USB-Blaster 加入，如下图所示：
- 点击【Apply】后点击【Run】。
- 下载完成后，可以看到 Console 里打印信息：Hello World，且开发板上流水灯显示。
三、实验总结
- 通过这次串口通信及流水灯实现，大致可以掌握 SOPC 开发流程，以及Qsys 硬核及 Nios II 软核的搭建方法，也可以了解到流水灯的工作原理，也可以自行修改方向、速度等参数来改变流水灯的状态。
四、参考资料
[1] 基于Nios II的hello world
[2] https://pan.baidu.com/s/1FaEIncAn4ezFWympe3QyDQ——提取码：pn3f
内容总结
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