FPGANios-II-开发实例.docx

5.4 Nios II 开发实例
5.4.1系统软硬件需求分析(见ppt)
根据所用到的外设和器件特性，在Qsys中建立系统要添加的模块如下：
（l）Nios Ⅱ 32 bit CPU。
（2）Jtag uart。
（3）on-chip memory。
（4）定时器 timer。
（5）按键PIO。
（6）LCD PIO。
5.4.2 系统硬件设计
1．创建一个Quartus Ⅱ工程
在Quartus Ⅱ软件中，利用创建工程向导新建工程clock，根据所用开发板类型选择相应器件，本例所用的是台湾友晶科技的DE2-115开发板，开发板上的FPGA器件为Cyclonc IV E系列EP4CE115F29C7芯片。在QuartusⅡ中选择该芯片，如图5 .31所示。
File->New 选Project
工作目录：D:/altera_design/my_clock
工程名：my_clock

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点finish
2．创建NiosⅡ系统模块
（1）启动Qsys
①在Quartus Ⅱ中选择菜单Tools®Qsys命令，或者直接点击上具栏中Qsys的图标弹出如图5.32所示的Qsys界面。

②点击Clock Setting进行时钟设置，这里设为默认值，即50M，如图5.33所示。
13.1中View->Clock

（2）添加CPU和外围器件。从Qsys的元件池中选择以下元件加入到当前设计的系统中：
Nios Ⅱ32 bit CPU、jtag uart、片上存储器on-chip memory、定时器、按键PIO、LCD。
①添加Nios Ⅱ32 bit CPU。
a． 在Embedded Processors模块下，选择Nios ⅡProcessor。

b． 双击或点击Add，会出现Nios Ⅱ的设置向导（名为nios2_qsys_0）。

e．在Nios Ⅱ Core栏中选择Nios Ⅱ /S选项，如图5.34所示。

d．点击Caches and Memory Interfaces标签页，在Instruction Cache中选择4Kbytes，如图5.35所示。

e. 点击JTAG Debug Module标签页，Debug level选择Level 1，如图5.36所示。

f. 点击Finish回到Qsys界面。

g. 将nios2_qsys_0重命名为cpu，如图5.37所示。

选Rename ，输入cpu

h. 将cpu的clk和reset_n分别与系统时钟clk_0的clk和clk_reset相连，如图5.38所示。

注意：对模块命名时应遵循以下规则：
名字最前面应该使用英文。
能使用的字符只有英文字母、数字和下划线“_”。
不能连续使用下划线“_”符号，在名字的最后也不能使用下划线“_”。
②添加JTAG UART接口
JTAG UART是NiosⅡ系统嵌入式处理器新添加的接口元件，通过内嵌在Altera FPGA内部的JTAG电路，可实现在PC主机和Qsys系统之间进行串行字符流通信。
a． 在Qsys左侧的搜索栏中输入JTAG UART；

选择Interface protocols®Serial®JTAG UART并双击，或点击Add按钮，会出现JTAG UATT-jtag_uart_0的设置向导，如图5.39所示。

b． 系统其他选择默认设置，点击JTAG UART设置向导Finish按钮，返回Qsys窗口。

c． 将jtag_uart_0重命名为jtag_uart。

d． 进行clk、reset以及master-slave的连线，如图5 .40所示。

③添加定时器
定时器对于HAL系统库中器件的驱动非常有用。比如JTAG UART驱动使用定时器来实现10秒钟的暂停。添加定时器执行以下步骤：
a． 在Qsys搜索栏中输入timer，选择
Peripherals下Microcontroller peripherals下的interval timer并双击鼠标左键，或点击Add按钮，会出现Avalon Timer-timer_0的设置向导，如图5.41所示。

b．在设置向导的Timeout Period选项中选择1 ms，其他选项保持默认设置。
c．点击Finish按钮，返回Qsys窗口。

e． 将timer_0重命名为system_timer。

f． 进行clk、reset和s1的连线，连线如图5 .42所示。

④添加片上存储器on-chip memory
a． 在Qsys搜索栏中输入On-Chip Memory，

选择Memories and Memory controllers下On-Chip下On-Chip Memory（RAM or ROM）并双击鼠标左键，或点击Add按钮，会出现On-Chip Memory（RAM or ROM)-onchip_memory2_0的设置向导，如图5 .43所示。

b. Memory type选择RAM，Total memory size选择102400（100K）。

c. 点击Finish按钮，返回Qsys窗口。

d．进行clk1、reset1和s1的连线，连线如图5.44所示。

⑤添加Button PIO
a. 在Qsys搜索栏中输入pio，

选择peripherals®Mierocontroller peripherals®pio并双击鼠标左键，或点击Add按钮，会出现PIO（Parallel I/O)-pio_0的设置向导，如图5 .45所示。

b. 确定以下选项：Width为4bits，Direction选择Input。
c. 在Edge captue register 选取Synehronously capture, Edge Type选择FALLING。
d．在Interrupt下选择Generate IRQ，IRQ Type选择EDGE。

e．设置完成，如图5.45所示。点击Finish按钮，返回Qsys窗口。
f. 将pio_0重命名为button_pio。
g. 进行clk、reset和s1的连线，连线如图5.46所示。

⑥添加LCD
a. 在Qsys搜索栏中输入lcd，

选择Peripherals ®Display®Altera Avalon LCD 16207并双击鼠标左键，或点击Add按钮，会出现Altera Avalon LCD 16207-lcd_16207_0的设置向导。

b. 直接点击Finish，返回Qsys窗口。

c. 将Icd_16207_0重命名为lcd。
d. 进行clk、reset和control_slave的连线，连线如图5.47所示。

（3）指定基地址和分配中断号
①Qsys会给所添加的系统模块分配默认的基地址。
设计者可以更改Qsys分配给系统模块基地址的默认值。
没有分配给系统模块基地址时Address Map标签页中显示

在Qsys中选择菜单System->Auto Assign Base Adderss命令。

Auto Assign Base Address可以使Qsys给其他没有锁定的地址重新分配地址，从而解决地址映射冲突问题。
图5.48所示的Address Map标签页中显示了完整的系统配置及其地址映射。

②中断号的分配
本实例工程中用到了定时器和按键两个中断，根据系统功能，已知按键中断优先级要高于定时器中断，这里将定时器中断优先级设为6，按键中断优先级设为5。
具体设置方法是：先将定时器中断与cpu中断连接，用鼠标右键点击system-timer，选择connections®System_timer.irq®cpu.d_irq，如图5．49所示；

然后在其后面自动生成的中断号“0”上双击鼠标左键，将其修改为“6”。按键中断的设置与此类似，最终中断分配后如图5.50所示。

考虑Jtag-uart中断

此时尚有2个错误

（4）Nios Ⅱ处理器参数设置
在Qsys的System Contents标签页中，在添加的Nios Ⅱ处理器上双击鼠标左键，弹出如图5.51所示的Nios Ⅱ Processor对话框，

在该界面中设置Reset Vector和Exception vector。
由于本例中Nios Ⅱ的程序存储器和程序执行区均为片上RAM，因此这里Reset Vector和Exception Vector均选择片上存储器onchip_memory2_0.s1。（错误消失了）

实际工程中可以根据需要将Reset Vector指定为系统中添加的Flash控制器，将Exception Vector指定为系统中添加的SDRAM控制器。
点击Finish按钮返回到Qsys界面，可以看到所有Qsys系统错误都消失了。

（5）生成系统模块
①在Qsys界面中选择Generation标签页，如图5 .52所示。
应该是：在Generate菜单下选择Generate…

②在Generation标签页中进行系统生成前最后一步的设置，该工程中均使用默认设置。
③点击左下角Generate按钮。Qsys根据用户设定的选项不同，在生成的过程中执行的操作过程将有所不同。

点save
生成过程

生成完毕

点close
④系统成功产生后，可点击菜单File®Exit命令退出Qsys。

3．在原理图（BDF）文件中添加Qsys生成的系统符号
在Qsys系统成功产生后会生成用户系统模块的元件符号（symbol），可以像添加其他QuartusⅡ的元件符号一样将其添加到当前项目的原理图（B DF）文件中。
在本例中就可将生成的clock系统元件符号添加到BDF文件中。步骤如下：
File->New 选Block Diagram/Schematic File,结果如下图所示：

（1） 双击BDF文件窗口，出现Symbol对话框，如图5.53所示。

（2）在对话框中点击Project目录。
（3）在project下选择clock，会出现代表所建立的NiosⅡ系统的元件符号。
（4）点击OK，将其放入BDF文件中。

（5）将clock与输入、输出接口相连。
（6）右击该图标，选择Generate Pins for symbol Ports，

然后编译工程。

（7）分配引脚，完成系统的硬件设计，如图5.54所示。
Assignment->Pin Planner

分配引脚如下：

选processing->Start I/O Assignment Analysis
结果有9个错误

删除前4个引脚的分配

再进行processing->Start I/O Assignment Analysis
结果错误消失。

选close退出pin planner。可见引脚都已经分配。

4．编译Quartus Ⅱ的工程设计文件
选择菜单Processing®start Compilation命令对工程设计文件进行完全编译。

最后一步由于没有license而无法完成。
5．配置FPGA(返回教材和ppt)
将QuartusⅡ编译后产生的FPGA配置文件（clock.sof)下载到目标板上。