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1、5.3 Nios II嵌入式系统开发软件,SOPC Builder是Altera公司推出的一种可加快在PLD内实现Nios II嵌入式处理器及其相关接口的设计工具。其功能与PC机应用程序中的“引导模板”类似，设计者可以根据需要确定处理器模块及其参数，选择所需的外围控制电路（如存储器控制器、总线控制器、I/O控制器、定时器等）和外设（如存储器、鼠标、按钮、LED、LCD、VGA等），创立一个完整的嵌入式处理器系统。SOPC Builder还允许用户修改已经存在的设计，为其添加新的设备和功能。,2020/8/8,1,5.3.1 Nios II的硬件开发 Nios II是一个用户可以自行定制的CPU
2、，用户可以增加新的外设，增加新的指令，分配外设的地址等。Nios II的硬件开发就是由用户定制合适的CPU和外设。SOPC Builder提供了大量的IP Core来加快Nios II外设的开发速度，用户也可以使用VHDL或Verilog HDL来定制外设。 Nios II的硬件开发必须得到特定的开发板的硬件支持。下面以DE2（含DE2 70）开发板为例，介绍Nios II（9.0版本）硬件开发的具体流程。 在DE2开发板上，支持Nios II系统的外部设备包括SDRAM、SRAM、FLASH、LCD、七段数码管、发光二极管、按钮开关、电平开关、VGA、ISP1362、I2C器件等，大部分外部
3、都采用Nios II软件提供的组件，但SRAM、七段数码管、VGA控制器和I2C器件属于DE2开发板自定义的组件，因此在进行Nios II系统开发之前，应将这些组件的程序包加入到Nios II的用户自定义组件（User Logic）中。,2020/8/8,2,在DE2开发板提供的用户光盘的DE2DE2_NIOS_HOST_MOUSE_VGA工程文件夹（或其他工程文件夹）中，包含SRAM、七段数码管、VGA控制器、I2C器件的程序包，它们分别是user_logic_SRAM_16Bits_512K、user_logic_SEG7_LUT_8、 user_logic_VGA_Controller和
4、user_logic_Open_I2C。将这些程序包（文件夹）复制到用户工程（如SOPC_DE2）目录中，打开SOPC Builder软件后，在其组件库的“User Logic”项下，就可以找到这些自定义组件。对于新版DE2开发板上的组件程序包，DE2的组件名分别为SRAM_16Bits_512K、SEG7_LUT_8、Binary_VGA_Controller等，将这些组件的文件夹复制到工程目录中后，这些组件会出现在SOPC Builder软件组件库的“Terasic Technologies Inc”栏目下。,2020/8/8,3,SOPC Builder界面分成三个部分，界面左边是组件（
5、Nios II嵌入式系统元件）选择栏，用树型结构列出了SOPC Builder的组件；右边空白处用于加入用户定制Nios II系统的组件；下方是提示栏，用于显示SOPC Builder的提示信息和警告错误信息。在界面的右上方，可以选择器件系列和系统工作频率。,SOPC Builder软件窗口界面,2020/8/8,5,2. 加入Nios II系统的组件 基本的SOPC系统大致可以分为FPGA、存储器和外围元件三个部分。FPGA部分的核心是NIOS CPU CORE（CPU核），设计工作主要在FPGA部分进行。 基于DE2开发板的Nios II系统包含NIOS CPU CORE（CPU核）、通用
6、异步通信总线JTAG UART、串口UART、按钮开关BUTTON PIO、电平开关SW PIO、绿色LED 、红色LED、七段数码管、Avalon三态总线桥、片外SRAM、Timer（定时器）、LCD（液晶显示器）、Flash（快闪存储器）、FLASH控制器、SDRAM控制器、系统ID组件、I2C（I2C组件）、VGA控制器和ISP1362（USB控制器）。,2020/8/8,6,（1）加入NIOS CPU CORE（CPU核） 在SOPC Builder的组件库中，用鼠标双击Component Library（组件库）中的“Nios II Processor”项，弹出添加新的Nios II
7、（CPU核）对话框。 在对话框中提供Nios II系列微处理器的三个成员供选择： Nios II/e（经济型）成员，具有占用最小逻辑的优化，占用600700LEs（逻辑元件）。 Nios II/f（快速型）成员，具有高性能的优化，占用14001800LEs。 Nios II/s（标准型）成员，在占用逻辑和高性能优化方面的性能居中，占用12001400LEs。,2020/8/8,7,本设计选择标准型Nios II/s成员。完成设置后，系统将“cpu_0”作为一个CPU核组件已经加入SOPC系统，并显示该系统已经有instruction_Master（指令主控器）、data_Master（数据总线
8、主控器）和jtag_debug_module（JTAG调试模式）存在。用鼠标右键点击选中“cpu_0”，弹出组件操作快捷菜单，在快捷菜单中选择“Rename”项，可以更改组件名称（本设计保持默认为“cpu_0”）。在快捷菜单中还可以选择“Edit”（编辑）、“Lock Base Address”（锁定地址）等操作。,2020/8/8,8,（2） 加入JTAG UART JTAG UART（JTAG通用异步通信总线）用于Flash存储器的读写控制。用鼠标双击组件库中的“Interfase”“Serial”栏目下的“JTAG UART”项，在弹出加入JTAG UART属性对话框中。对话框中各参数保
9、持默认值不变，完成JTAG UART组件的加入后，组件名称保持默认的“jtag_uart_0”不变。,加入JTAG UART对话框,2020/8/8,9,加入UART对话框,（3） 加入UART UART是常用的串口，Nios II系统可以通过UART串口与计算机通信，也用于NIOS系统的仿真调试。用鼠标双击组件库中的“Interfase”“Serial”栏目下的“UART（RS232 series port）”项，弹出UART属性对话框。在对话框中选择波特率为115200，其余参数保持默认设置，完成UART的加入后，组件名称保持默认的“uart_0”不变。,2020/8/8,10,（4） 加
10、入BUTTON PIO DE2开发板上有4只按钮开关key3key0，设计中需要加入一个4位的按钮PIO。用鼠标双击组件库中的“Peripherals”“ Microcontroller Peripherals”栏目下的“PIO”项，弹出加入PIO的“Basic setting”对话框。在对话框中设置“Width”（位宽）为4位，在“Direction”栏目下选择“Input Ports Only”（输入）模式。然后用鼠标单击“Next”进入PIO的“Input Options”选项设置对话框页面，在此对话框页面中可选择产生中断请求（IRQ）的触发模式，包括“Level”（电平）和“Edge”
11、（边沿）两种触发模式；在选择“Edge”触发模式下，还要选择触发边沿的类型，其中有“Rising Edge”（上升沿）、“Falling Edge”（下降沿）和“Either Edge”（任意边沿或双边沿）三种边沿类型。在本设计中选择“Edge”触发模式下的“Either Edge”类型。完成PIO的加入后，将组件名称更改为“button_pio”。,2020/8/8,11,（5）加入电平开关SW PIO DE2开发板上有18只按钮开关SW17SW0，设计中需要加入一个18位的SW PIO。用鼠标双击组件库中的“Peripherals”“ Microcontroller Peripherals
12、”栏目下的“PIO”项，在弹出的加入PIO的“Basic setting”对话框中，设置“Width”为18位，在“Direction”栏目下选择“Input Ports Only”（输入）模式。完成电平开关组件的加入后，将组件名称更改为“switch_pio”。,（6）加入绿色LED DE2开发板上有9只绿色发光二极管LEDG8LEDG0，设计中需要加入发光二极管PIO。在加入PIO对话框中，设置“Width”为9位，在“Direction”栏目下选择“Output Ports Only”（输出）模式。完成绿色LED组件的加入后，将组件名称更改为“led_green”。,2020/8/8,1
13、2,（7）加入红色LED DE2开发板上有18只红色发光二极管LEDR17LEDR0，设计中需要加入发光二极管PIO。在加入PIO对话框中，设置“Width”为18位，在“Direction”栏目下选择“Output Ports Only”（输出）模式。完成红色LED组件的加入后将组件名称更改为“led_red”。,（8）加入七段数码管 DE2开发板上有8只七段数码管hex7hex0，设计需要加入8个七段码数码管。用鼠标双击组件库中“User Logic”的“SEG7_LUT_8”项，加入七段数码管PIO。完成七段数码管组件的加入后，将组件名称更改为“SEG7_Display”。,2020/8
14、/8,13,（9）加入片外SRAM DE2开发板上有一片51216KB的SRAM，属于自定义组件。用鼠标双击组件库中“User Logic”的“SRAM_16Bits_512K”项，加入SRAM。完成片外SRAM组件的加入后，将组件名称更改为“sram_0”。,（10）加入定时器Timer 用鼠标双击SOPC Builder界面的组件库中“Preripherals”“ Microcontroller Preripherals”下的“Interval Timer”项，弹出加入Timer对话框，一切都按照对话框默认值配置，完成Timer的加入，组件名称保持默认的“timer_0”不变。,2020/
15、8/8,14,（11）加入LCD（液晶显示器） 用鼠标双击SOPC Builder界面的组件库中的“Preripherals”“Display”的“Character LCD”项，完成LCD的加入。完成LCD组件加入后，将组件名称更改为“lcd_16207_0”。添加的LCD的型号为Optrex 16207，支持2行字符显示，每行16个字符。,（12）加入Avalon三态总线桥 NIOS CPU与SRAM等外部扩展器件相连时需要Avalon三态总线桥。用鼠标双击组件库中“Bridges and Adapters”“Memory Mapped”的“Avalon-MM Tristate Bridg
16、e”项，在加入Avalon三态总线桥对话框中，参数设置采用系统默认值。组件名称保持默认的“tri_state_bridge_0”不变。,2020/8/8,15,（13）加入Flash（快闪存储器） 用鼠标双击SOPC Builder界面的组件库中的“Memory and Memory Controllers”的“Flash Memory Interface”项，弹出加入Flash对话框，在对话框的“Attributes”页面的“Presets”下拉菜单中，选择“（Custom）”（惯例）项，并在对话框的“Size”栏目下，填入Address Width（地址宽度）为20bits，Data Width（数据宽度）为8bits。 用鼠标单击对话框上部的“Timing”按钮（或下部的“Next”按钮），进入Flash参数设置的“Timing”页面，此页面用于对Flash的建立（Setup）时间、等待（Water）时间和保持（Hold）时间参数进行设置，将Setup时间设置为40（ns），Water时间设置为160（n
