实验四、电子钟_de2.doc

《基于软核技术的嵌入式系统设计》

实验四、NiosII系统设计——电子钟
--DE2

北京交通大学 计算机学院
教师：丁晓明

本实验指导书演示了NiosII系统的硬件设计，软件设计，能实现一个电子钟功能。
本实验在前面实验的基础上，同学已经能熟练的使用QuartusII软件和模块化输入方法。
本实验主要包括SOPC Builder，NiosII IDE，QuartusII的使用，主要目的在于指导同学学习如何定制一个NiosII硬件系统和如何在此基础上编写软件程序。

实验条件：
Cyclone II EP2C35F672C6教学套件
QuartusII9.0
SOPC Builder9.0
NiosII9.0
NiosII IDE
在本实验中，我们将以Cyclone II EP2C35F672C6学习板为平台，介绍开发一个电子钟的软、硬件方案设计，涉及到的代码，只需要按照实验指导书将代码拷贝到工程文件夹中即可。

（注意：使用cyclone开发板的同学在设置时需要做相应的改动）

系统软、硬件需求分析：
1. 该系统要实现的功能：
(1). 在液晶屏上显示时间，日期
(2). 对时间、日期能够进行设置

2. 硬件系统组成规划
根据系统要实现的功能和开发板配置，本项目中需要用到的Cyclone II开发板上的外围器件有：
LCD：电子钟显示屏幕
按钮：电子钟设置功能键
Flash存储器：存储软、硬件程序
SRAM存储器：程序运行时将其导入SRAM
根据所用到的外设和器件特性，在SOPC Builder中建立系统要添加的模块包括：NiosII CPU定时器，按键PIO，LCD， 外部RAM总线（Avalon三态桥），外部RAM接口，外部Flash接口。

3．软件系统规划
要实现系统所需的功能，大量的工作应该集中在软件设计和优化上。电子钟的软件功能主要分为显示、设置和时间算法三大部分。

1. 显示部分
显示部分的功能包括：
(1). 显示时间（小时：分钟：秒）
(2). 显示日期（年-月-日）
2. 设置部分
设置部分的功能包括：设置小时，设置分钟，设置年份，设置月份，设置日期和退出设置。
设置部分的程序主要用在对按键的响应。在编写程序前要对Stratix开发板上的四个按键功能进行如下分配：
(1). 主菜单
(a). SW0：设置选择键，可依次选择设置小时，分钟，年份，月份和日期
(b). SW1：显示日期键
(c). SW2：显示时间键
(2). 子菜单（即进入对某个选项设置后的键盘功能）：
(a). SW1：选项数字增加
(b). SW2：选项数字减少
(c). SW3：退出对选项的设置，返回主菜单
3. 时间算法部分
时间算法部分的功能包括：
(1). 时间累加
(2). 确定每个月的最大天数，使年、月、日能正确累加
通过对软件要完成的功能进行分析可以看出，这里只有按键响应和显示部分需要涉及硬件，其它子程序可在进行硬件设计的同时开始编写。

4. 软件流程图
开始计时
初始化液晶
初始化变量
开始主循环
开始
检测按键及
按键响应
结束
是否计时？

是
否

实验内容：

1. 系统硬件
（1） 首先根据前面的实验步骤，创建一个新工程lab4prj。

（2）点击 Tools->SOPC Builder，进入SOPC Builder，运行SOPC Builder，

（3）给要设计的系统模块命名，此处我们命名为niosII；Target HDL项，选择VHDL，指定设计中各模块生成的HDL类型，命名完毕，点击OK。
（4）设置Clock为50MHz，Target Device Family为Cyclone II。

（5）双击Avalon Components à NiosII Processor，添加一个 NiosII/s 处理器

Instruction Cathe：4KB

JTAG调试模块等级：Level 2

然后点击Finish。

用鼠标右键点击cpu_0，选择rename选项，将NiosII处理器cpu_0更名为cpu

（6）添加 JTAG UART，在Simulation选项卡下选择Create ModelSim alias to open a window showing output as ASCII text，其他设置保持默认状态，如下图。并命名为jtag_uart

（7） 添加一个计时器(Interval Timer)，Initial Period设置为10msec，其他为默认设置。并命名为sys_clk_timer。

（8）再添加一个计时器，使用如下，并命名为high_res_timer 。

（9）添加Avalon Tri-state Bridge，将Incoming Signals设置为Registered模式，并命名为ext_ram_bus

（10）添加Flash存储器，设置如下，并命名为ext_flash。

（11）添加SDRAM Controller，使用如下设置，并命名为ext_ram。

（12）添加Character LCD，并命名为lcd_16207_0。

（13）添加一组PIO(Parallel I/O)宽度设置为4位，方向设置为输入，并命名为pio_button。设置如下：

（14）添加PLL模块

点击 Launch Altera’s ALTPLL Mega wizard进入PLL设计

器件选择Any，时钟为50Mhz，其他保持默认。
点击左上角output clocks
对c0的设置如下图所示：

然后点击clk c1;

点击Finish完成PLL设计。

点击Finish

然后按照下图做一些改动：

（15）到此完成系统的搭建，根据下图的连接关系把各模块与总线连接好。

然后选择SystemàAuto-Assign Base Addresses，为各模块自动分配地址；再选择Auto-Assign IRQs，自动分配中断顺序。

分别在ext_flash和ext_ram的base上点击右键，选择lock base address。
最后系统整体配置如下图所示：

（19）在NiosII more “cpu” settings选项卡中，设置reset address ext_ram为，exception address为ext_flash，配置如下图所示：

点击Generate生成系统…

（20）SOPC Builder完成，提示成功生成系统，点击Exit。

（21）将我们提供的test.bdf原理图文件拷贝到你所做的工程目录下，并将其添加到工程中，设置为顶层文件，打开该文件如图所示：

将SOPC Builder生成的模块插入原理图设计，在原理图空白处单击鼠标右键，选择插入或者双击左键插入
选择Projects/niosII

(22)设置QuartusII编译工具，点击进入如下界面

（23）管脚分配
选择project下的generate Tcl file for project，在如下界面点击ok, 产生的test.tcl文件

在QuartusII软件中打开example下的standard工程（D:\altera\kits\nios2_60\examples\vhdl\niosII_stratix_1s10），产生standard.tcl文件(同样需要按照上面的步骤产生)，把文件中带有set_location_assignment指令，并且-to的后面参数与现有工程中使用管脚名字相关的语句拷贝到test.tcl文件的下面位置，然后保存。（这个过程需要万分的小心和仔细，请大家注意）

选择tools下的tcl scripts，按照下图选择tcl文件。

点击run，就可以把standard工程的管脚定义运用到现有的工程中，这就是管脚命名时提醒注意的地方，如果管脚名字与standard工程的对应管脚名字不同，那么tcl文件的添加就没有效果了。这种方法可以节省定义管脚的时间，尤其是在有参照工程管脚定义的情况下，更为方便。
分配完管脚保存。

(24) 点击编译工程。

2. 系统软件
(1). 首先打开NiosII IDE，选择开始菜单下所有程序中的AlteraàNiosII EDS 6.0àNiosII IDE。
路径设到各自实验工程的software文件夹，若不存在，新建此文件夹。
(2). 选择FileàNewàProject创建新的软件工程，选择C/C++ Application，点击next。

并命名为clock，在目标硬件 (Target Hardware)选项中指定为刚才完成的设计文件(nios2.ptf)，并选用Blank Project作为模板

(3). 点击Next，为刚创建的软件工程建立新的系统库(system library)

(4). 鼠标右键点击上一步创建的clock软件工程，选择Import

选择Filesystem，

在From Directory中选择E:\altera\qdesigns60\lab5\software（路径不唯一，根据自己的修改），Into Directory中选中刚才所创建的软件工程nios2，添加包含源代码的文件clock.c和clock.h

(5). 双击打开clock.c文件，浏览阅读代码

(6). 设置编译器，鼠标右键单击软件工程clock_syslib，选择Properties，选择System Library，配置如下图所示。

(7). 编译程序，鼠标右键单击软件工程clock，选择Build Project，由于第一次编译程序，NiosII IDE会根据硬件配置和编译器配置生成很多库文件，所以时间比较长。

(8). 将FPGA配置文件下载到Cyclone芯片上，点击Tools->QuartusII Programmer

选择QuartusII生成的硬件工程配置文件.sof文件，并选中Program/Configure选项，点击Start。

(9). 编译通过后的程序可以下载到芯片上运行，点击Run->Run..（有的可能不会出现如下设置，可以直接忽略）
在Target Connection界面如下设置，其他保持默认设置。如果对应列表中没有相应器件，请点击refresh。

设置完毕，点击apply。

(10). 然后点击run，观察程序运行情况。在LCD上有相应显示。