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8.4典型实例14：基于NIOSII处理器的“HelloLED”程序设计

8.4.1实例的内容及目标

1．实例的主要内容

本节旨在通过给定的工程实例——“HelloLED”来熟悉Altera软嵌入式系统的软硬件设计方法。同时使用基于AlteraFPGA的开发板将该实例进行下载验证，完成工程设计的硬件实现。本节主要讲解下面一些知识点。

·QuartusIISOPCBuilder使用方法。

·NIOSIIIDE软件开发流程。

通过这些知识点，按照本节实例的实现过程，读者可以迅速掌握Altera软嵌入式软硬件设计方法。

2．实例目标

通过详细的流程讲解，读者应达到下面的目标。

·熟悉QuartusIISOPCbuilder使用方法。

·熟悉NIOSIIIDE软件设计方法。

8.4.2实例详解

本实例使用图解的方式将整个流程一步一步展现给读者，使读者能够轻松掌握开发的流程。

本实例重点在于熟悉使用QuartusⅡ和SOPCBuilder来创建一个NiosⅡ嵌入式处理器系统，并通过软件编程实现对实验板上面的LED灯的控制，具体实现过程如下。

（1）新建工程。

新建一个工程目录“sopc_led”，在此目录下建立一个名为“sopc_led”的QuartusII工程，并新建一个顶层图，保存于工程中。

（2）SOPCBuilder定制NIOSII处理器。

用SOPCBuilder定制NiosII处理器及其外设。打开“Tools”/“SOPCBuilder”，如图8.30所示。

图8.30打开Tools--SOPCBuilder

指定系统名字，本例中我们输入niosii_c。单击“OK”按钮进入SOPC定制界面。

图8.31SOPCBuilder界面

为“Target”选择“UnspecifiedBoard”，为“Clock（MHz）”选择时钟频率为50.0，为“TargetDeviceFamily”选择目标器件系列为Cyclone。

在SOPC定制界面的左边，我们可以看到有很多功能模块，用户可以按照需要将这些模块添加到所设计的系统中。

首先，我们需要一个CPU。选择“NiosIIProcessor”/“AlteraCorporation”，弹出AlteraNiosII对话框，我们选择一个经济型的CPU核，即NiosII/e，如图8.32所示。

图8.32加入NIOSIICPU

单击“JTAGDebugModule”标签页，选择第一级调试支持Level1：特点是占用逻辑资源少，编译速度快，不包括缓存，如图8.33所示。

图8.33设置CPU调试模型

单击“Finish”按钮完成NiosIICPU的配置工作。项目中会增加一个NiosII处理器，名字为cpu_0，为了简便起见，没有将它改名。改名的方法是：单击右键，选择“Rename”，输入名字后回车即可，如图8.34。

图8.34定制CPU完成图

（3）SOPCBuilder定制JTAG串口。

在左侧器件池中双击“JTAGUARTInterface”，使用默认参数设置，如图8.35所示。

它是NiosII系统嵌入式处理器新添加的接口元件，通过内嵌在AlteraFPGA内部的联合测试行动组（JTAG）电路，在PC主机和FPGA之间进行串行字符流通信。特点是在运行时在调试区输入信息可以与FPGA进行交互。

（4）SOPCBuilder定制计时器。

在左侧器件池中双击“IntervalTimer”。定时器对于HAL系统库中的器件驱动非常有用，比如JTAGUART驱动使用定时器来实现10s的暂停。选择“IntervalTimer”，在设置向导中周期选择1msec，预设置中选择Full-featured，如图8.36所示。

图8.35JTAGUART参数设置 图8.36计时器设置

（5）SOPCBuilder定制外部Flash。

在左侧器件池中双击“CompactFlashInterface”。在“Presets”中选自定义Custom，地址宽度21bits，带宽16bits。由于Flash是通用设备，所以时序标签使用默认设置。如图8.37和8.38所示。

图8.37Flash带宽设参数置界面 图8.38Flash时序参数设置界面

（6）SOPCBuilder定制外部SDRAM。

通常的系统都需要用户指定一个内存空间，这个内存是指RAM，可以是片上的，也可以是片外的SDRAM或SRAM等。如果用户程序较大，超出了FPGA所能定制的最大片上RAM容量，则也可以将程序放在SDRAM中运行。在左侧器件池中双击“SDRAMcontroller”。

在“Presets”中选择“micronMT48LC4M32B2-7chip”，其他的参数设置可以使用系统的默认选项，如图8.39所示。

（7）SOPCBuilder定制外部RAM总线。

添加外部RAM总线（AvalonTri-StateBridge）。软件使用Avalon接口来连接片上元件和Avalon主从端口。

图8.39SDRAM参数设置

在Nios开发板上，要实现Nios系统与FPGA片外存储器通信，就必须在Avalon总线和连接外部存储器的总线之间添加一个桥，这个桥就是Avalon三态总线，如图8.40所示。

图8.40添加外部RAM总线

（8）SOPCBuilder定制串行通信设备UART。

通用串行总线RS-232协议是我们最常用的通信协议，所以把它也添加到我们的系统里。注意选择所需的数据帧格式，如图8.41所示。

（9）SOPCBuilder定制LCD液晶模块。

使用标准16027字符型液晶显示器。

（10）SOPCBuilder定制systemid。

在SOPCBuilder中使用默认定制的systemid。

（11）SOPCBuilder定制PIO。

添加4个LED和输入设备按键开关PIO，这是一个标准SOPC一般所需要的设备。

（12）SOPCBuilder指定基地址和中断编号。

首先修改Flash的基地址为0x00000000，之后在Flash上单击右键锁定基地址，如图8.42所示。

图8.41串行通信设备UART参数设置

图8.42锁定Flash基地址

然后，选择“System”/“Auto-AssignBaseAddresses”，让系统自动分配基地址，如图8.43所示。

图8.43自动分配系统设备地址

最后，选择“System”/“Auto-AssignIRQs”，让系统自动分配中断，如图8.44所示。

（13）SOPCBuilderNIOSIICPU其他设置。

单击“NiosIIMore“cpu_0”Settings”选项卡，进行处理器设定。在本实例中，将“ResetAddress”修改为“ext_flash”，“ExceptionAddress”修改为“sdram”，“BreakLocation”使用默认值，如图8.45所示。

图8.45自动分配系统设备中断编号

（14）生成软嵌入式系统IP核。

单击“SystemGeneration”选项卡，进行最后的设定并生成系统。选中“HDLGeneratesystemmodulelogicinVerilog”。如果需要仿真，也选择“SimulationCreateModelSim(tm)projectfiles”，然后单击“Generate”按钮，执行系统生成的任务。

然后，耐心地等待系统的生成。一般没有问题的话，可以看到系统提示“SUCCESS:SYSTEMGENERATIONCOMPLETED”。如果看到此信息，则说明系统被正确生成了。如果失败，请返回并检查、修改。

（15）在QuartusII工程中添加上述NIOS系统。

类似向QuartusII工程添加功能模块一样，将所定制的NiosII软核CPU添加到本例工程中。双击工程顶层图空白处，弹出“Symbol”对话框，在“Project”下面可以找到刚才建立的niosii_c模块，如图8.46所示。

图8.46在QuartusII中添加IP核

单击“OK”按钮将其niosii_c添加到顶层图中。

（16）在QuartusII工程中添加端口分配管脚编译。

首先在QuartusII中将NIOS等端口添加至工程中，并为工程添加相应的管脚约束，然后即可对工程进行编译。

（17）设计该工程软件。

首先在AlteraSOPCBuilder中，点击RunNiosIIIDE，启动NiosIIIDE，如图8.47所示。

图8.47打开NIOSIIIDE软件

接下来我们要设计该工程的软件。运行NiosIDE，在NiosIIIDE中，选择“File”/“New”/“Project”选项，开启“NewProject”对话框，选择“C/C++Application”，如图8.48所示。

图8.48新建软件工程

然后单击“Next”按钮，进入下一步，在模板中选择“HelloLED”，如图8.49所示。

单击“SOPCBuilderSystem”右边的“Browse”按钮打开目录对话框，从该工程目录下找到“niosii_c.ptf”，因为NiosIIIDE必须从这个文件获取该系统的相关信息。单击“Finish”按钮，即建立一个名为Hello_LED_0的模板。

打开项目中的文件：hello_led.c，根据需要进行修改。在本实例程序中，“PIO_0_BASE”名称中的“PIO_0”应改为SOPCBuilder定义时的名称，如图8.49中的“Hello_LED_0”。

图8.49采用设计模板

（18）编译软件。

右键单击“hello_led_0”，在弹出的菜单中选择“BuildProject”。（为使编译过程更加顺利，此时最好关闭杀毒软件和其他占用电脑资源较大的软件）。

如果无误，可以看到以下信息：Buildcompleted。如果看到了这条提示，表示软件编译成功，可以看到程序占用空间等信息。

（19）下载验证。

最后我们还要回到QuartusⅡ里面选择“Tools”菜单里面的“Programmer”，下载整个配置到FPGA中去。

然后在NiosII环境中单击“RunAsNiosIIHardware”按钮将C程序下载到实验板中。

本实例最终的硬件实现现象是led跑马灯。

8.4.3小结

本节讲解了一个完整的软嵌入式设计流程。虽然此实例实现的功能比较简单，但对于初学者来说，是一个不错的入门实例。其中硬件设计部分（SoPCbuilder）包括开发板上所有设备，以后读者可以在此硬件平台上建立多个软件运行。

关键词： SOPC NiosII FPGA