C/C++教程

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】

本文主要是介绍基于 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】,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

目录

  • 一、前言
  • 二、实验步骤
    • 第一步:硬件部分设计
      • 1)建立新项目
      • 2)进行 Qsys 系统设计
      • 3)完成 Qsys 设计的后续工作
      • 4)原理图设计
      • 5)编译工程及物理针脚分配。
    • 第二步:软件部分设计
      • 1)启动 Nios II SBT
      • 2)创建工程
      • 3)运行项目
  • 三、实验总结
  • 四、参考资料

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。
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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…】。
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  • 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 >】。
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  • 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。
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2)进行 Qsys 系统设计

(1)打开 Qsys。

  • 点击【Tools】→【Qsys】。
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(2)保存文件。

  • 点击【File】→【Save】。
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  • 输入文件名 kernel ,然后点击【保存】。
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(3)设置时钟。

  • 双击或者右键 clk_0 元件,点击【Edit】。
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  • 时钟设为 50M Hz,然后点击【Finish】。
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(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…】。
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  • 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】。
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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)。
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——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。
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  • 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。
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——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。
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  • 配置窗口内,设置内存为 40960(40 KB),其余保持默认,再点击【Finish】。
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  • 重命名为【onchip_ram】。
  • 连接 clk1、s1、reset1 如下图所示。
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——④ 添加 PIO 接口。

  • 搜索框输入 “ pio ”,选择【PIO (Parallel I/O)】后点击【Add…】添加。
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  • 确定 Width 为 8 bits,Direction 选择 output ,其它保持默认。
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  • 重命名为 【pio_led】。
  • 引出管脚:双击 Export 列的 external_connection ,命名为 out_led。
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  • 连接 clk、reset、s1 如下图所示。
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——⑤ 添加片 System ID Peripheral 核。

  • 搜索 “ sys ”,选择【System ID Peripheral】后,点击【Add…】添加。
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  • 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。
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——⑥ 完整 Qsys 系统设计。

  • 所有元件及相关连线情况如下图所示:
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3)完成 Qsys 设计的后续工作

(1)基地址分配。

  • 点击【System】→【Assign Base Addresses】。
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  • 完成后,【Base】一列不再出现重复的具体的地址。
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(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。
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  • 配置 Reset Vector 和 Exception Vector 为【onchip_ram.s1】。
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(3)使用 FPGA 资源。

  • 点击【Generate】→【Generate…】。
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  • 如果提示是否保存 .qsys 文件,选择保存。
  • 点击【Generate】,再点击【Save】。
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  • 点击【Close】关闭窗口。
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  • 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…】。
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  • 选择【Block Diagram/Schematic File】,再点击【OK】。
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  • 点击元件按钮,搜索前面创建的【kernel】,放置在原理图上。
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(2)加入 Quartus II IP File 文件。

  • 点击【Assignments】→【Settings】。
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  • 选择 kernel.qip 文件,是在 ..\kernel\synthesis 目录下,选中并打开它。
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  • 点击【Add】添加进去。,再点击【OK】。
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(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。
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  • 双击管脚名,重命名为 clk、reset_n、pio_led[7…0] 即可。
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(4)芯片引脚设置。

  • 点击【Assignments】→【Device】。
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  • 点击【Device Pin Options】。
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  • 将未用的引脚设置为【As input tri-stated】。
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  • 将特殊引脚设置为常规引脚【Use as regular I/O】,最后点击【OK】。
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  • 再点击一次【OK】。

(5)保存原理图文件。

  • 如下图所示。
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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。
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  • 无错即可。
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(2)分配物理针脚

  • 点击【Pin Planner】快捷键。
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  • 按照下图所示分配针脚:
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  • 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】。
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  • 工作空间选择该项目文件夹。
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2)创建工程

  • 点击【File】→【New】→【Nios II Application and BSP from Template】。
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  • 选择 kernel.sopcinfo 文件,再输入工程名,选择 Hello World ,最后点击【Finish】即可。
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  • 打开 hello_world.c 文件,修改为如下代码。
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#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。
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  • 编译完成。
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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】。
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  • 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。
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(2)运行/调试程序。

  • 点击【Run】→【Run Configurations…】。
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  • 转到【Target Connection】标签栏,点击右侧的【Refresh Connections】将 USB-Blaster 加入,如下图所示:
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  • 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。
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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

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