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1、赣南师院物理与电子信息学院SOPC 技术课程设计报告书专业班级： 09 电信本 学生姓名： 胡雯莹 学号： 090802054 指导教师： 管立新 设计时间： 2011.12.30 基于 SOPC 技术实现数字闹钟一、课题简介SOPC 技术是美国 Altrea 公司于 2000 年最早提出的，并同时推出了相应的开发软件 Quartus II。SOPC 是基于 FPGA 解决方案的 SOC，与 ASIC 的 SOC 解决方案相比，SOPC 系统及其开发技术具有更多的特色，构成 SOPC 的方案有多种途径，我们主要用到的是：基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统1基于 FPGA 嵌入
2、IP 硬核的 SOPC 系统即在 FPGA 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大多采用了含有ARM 的 32 位知识产权处理器核的器件。尽管由这些器件构成的嵌入式系统有很强的功能，但为了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务的完成具有更好的适应性，通常必须为此处理器配置许多接口器件才能构成一个完整的应用系统。如除配置常规的 SRAM、DRAM 、Flash 外，还必须配置网络通信接口、串行通信接口、USB 接口、VGA 接口、PS/2 接口或其他专用接口等。这样会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将 ARM 或其他知识产权核，以硬核方式植入 FPGA
3、 中，利用 FPGA 中的可编程逻辑资源和 IP 软核，直接利用 FPGA 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块，就能很好地解决这些问题。2基于 FPGA 嵌入 IP 软核的 SOPC 系统这种 SOPC 系统是指在 FPGA 中植入软核处理器，如： NIOS II 核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的 EDA 工具，对 NIOS II 及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。二、数字闹钟的工作原理及设计过程1、工作原理 数字闹钟组成结构数字闹钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器及部分扩展电路等组成。1.
4、1 振荡器振荡器是数字电子钟的核心，其作用是产生一个频率标准，即时间标准信号，然后再由分频器生成秒脉冲，所以，振荡器频率的精度和稳定度就基本决定了数字电子钟的准确度，为产生稳定的时间标准信号，一般采用石英晶体振荡器。从数字电子钟的精度考虑，振荡频率越高记数精度越高。但这回使振荡器的耗电量增大，分频器级数增多。所以在确定频率时应同时考虑这两方面的因素再选择器材。如果精度要求不是很高的话我们可以采用由集成逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器。一般而言，选用石英晶体振荡器所选用的晶振频率为 32768Hz,再通过 15 级 2 分频集成电路得到 1
5、Hz 的标准秒脉冲。1.2 分频器振荡器产生的时标信号频率很高，要使它变成用来计时的“秒”信号，需要若干级分频电路，分频器的级数和每级分频次数要根据时标信号的频率来决定。其功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号，二是提供功能扩展电路所需的信号。1.3 计数器有了“秒”信号了就可以根据 60 秒为一分，60 分为一小时，24 小时为一天的进制，分别选定没“秒” 、 “分” 、 “时”的计数器。从这些计数器的输出可得到一分、一小时、一天的时间进位信号。在秒计数器钟因为是 60 进制通常用两个十进制计数器的集成片组成，其中秒个位是十进制的、十位是 6 进制的。可采用反馈归零法变“秒”十位为 6 进制
6、，实现秒的 60 进制，同样，分计数器的与秒的一样，只是时计数器里需要变成 24 进制，也用反馈归零法实现。1.4 译码器及显示器因为计数器全部采用 8421BCD 码十进制计数集成芯片，所以“秒” 、 “分” 、 “时”的个位和十位都有四个状态输出端（Qa、Qb、Qc、Qd） 。将这些输出端接至专门设计制造的译码电路，就可产生驱动七段数码显示器的信号。1.5 校时电路当数字钟接通电源或者计时出现误差时需要校正时间，校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校时时不影响时和秒的正常计数；校时方式有“快校时”和“慢校时”两种， “快校时“是通过开关控制使计数器对 1Hz 的校时脉
7、冲计数， “慢校时”是通过手动产生单脉冲作校时脉冲，校时的基本原理是将 0.5 秒的脉冲信号（可由分频器的第 14 级分频输出端直接获得） ，直接引进“时”计数器，同时将计数器置“0” ，在时的指示调到需要的数字后，再切断“0.5”信号让计数器正常工作。2、设计过程SOPC 设计首先使用 Quartus II 建立一个 Quartus II 的工程，创建完成工程之后，需要创建顶层实体。创建完顶层设计文件之后，使用 SOPC Builder 创建 NIOS II 嵌入式处理器，添加、配置系统的外设 IP，组成 Nios II 系统模块。 Nios II 系统模块设计完成之后要加入到该顶层实体中，
8、然后进行其他片上逻辑的开发。2.1 Quartus II 工程的建立：（1）启动 Quartus II 软件；（2）选择 File 菜单New Project Wizard，出现 Introduction 页面，该页面介绍所要完成的具体任务，点击 next。（3） 进行项目名称的设定、工作目录的选择。指定工程存放的目录，工程名和顶层实体名，工程名和顶层实体名要求相同，工程目录可以随意设置，但必须是英文的目录，工程名和顶层实体名也要求是英文名字，我们的工程名和顶层实体名为 clock，选择 Next。4. 可以为工程添加先期已经输入的设计文件，指定用户自定义的元件库的路径，这里我们没有事先输入好
9、的文件，也没有自定义的元件库，点击 Next 进入下一步。 5. 用户指定目标器件，根据开发板的所使用的器件来选择，实际开发中，通过查看核心板的参考手册来获取所使用的器件具体型号，可以使用窗口右边的 Filters 来加快器件的选择，选择完毕点击 Next。6. 指定在 Quartus II 之外的用于，设计输入、综合、仿真、时序分析的第三方 EDA 工具，Quartus II 对第三方工具的支持比较完善。这里我们不做选择，直接点击 Next。所见新工程的信息，确认所创建工程的主要信息，点击 Finish 完成工程的建立，在开发的过程中，还可以通过菜单 assignmentSettings 来
10、对这些配置进行修改。 点击 Finish 按钮，Quartus II 自动会打开这个工程，可以看到顶层实体名出现在工程导航窗口中。7,、 新建的工程窗口中，选择 FileNew ；在 Device Design File 页中，选择 Block DiagramSchematic File，即原理图文件，也可以选择硬件描述语言的文件形式。单击 OK。出现一个模块编辑窗口；选择 FileSave As，出现 Save As 对话框，显示的目录为之前设置的工程目录，文件名为之前设置的顶层实体名（由于这是工程的第一个文件，系统会默认为顶层设计实体的名字） 。确定 Add to Current Proj
11、ect 选项被选中，点击 save。器件型号2.2 创建 NIOS II 系统模块（1） 创建系统：启动 SOPC Builder，选择 ToolsSOPC Builder，出现如图所示的 Create New System 对话框。键入系统的名字，选择硬件描述语言 Verilog 或者是 VHDL。 （2） 设置系统主频和指定目标 FPGA：在 Board 部分选择 Unspecified，然后在 Device Family 选择 Cyclone II。用户需要设置系统的时钟频率，该频率用于计算硬件和软件开发中的定时，比如时钟分频或波特率，还可以选择是否选用流水线。 （3）加入 Nios I
12、I CPU 和 IP 模块：首先加入 Nios II 软核，Nios II 是软核 CPU，共有三种类型的 CPU 可供选择：Nios II/e(经济型)、Nios II/s（标准型）和 Nios II/f（快速型） 。用户可以根据实际的情况进行选择。Nios II 是一个用户可以自行进行定制的 CPU，用户可以增加新的外设、新的指令等。 添加 CPU 软核添加内存_SDRAM 添加 LCD 模块 添加 100ms 的定时器完整的 SOPC 的硬件系统Cyclone IIinclk0 frequency: 50.000 MHzOperation Mode: NormalClk Ratio Ph
13、 (dg) DC (%)c0 1/1 -54.00 50.00c1 1/1 0.00 50.00inclk0 c0c1PLLinst1生成的 PLL 模块PIN_R21PIN_T2PIN_T21LVTLLVTLLVTLVCKEY3.1 INPUTPIN_L1LVTL VCCLK_50MHz INPUTPIN_R2LVTL VCReset_n INPUTPIN_L2LVTL VCSW0 INPUTPIN_H14LVTLLCD_RWOUTPUT PIN_H13LVTLLCD_RSOUTPUT PI_12LVTLLCD_EOUTPUTPIN_T3DRAM_CAS_NOUTPUT PIN_N3DRAM
14、_CKEOUTPUTPIN_T6DRAM_CS_NOUTPUTPIN_R8DRAM_WE_NOUTPUTPI_T5DRAM_RAS_NOUTPUTUPI_V4DRAM_BA_1,DRAM_BA_0OUTPUTPI_R7PIN_M5DRAM_UDQM,DRAM_LDQOUTPUTPINW4W5Y3PIN_Y4PI_6PI_P6PIN_P5PI_P3I N4PIN_W3PIN_N6DRAM_ADDR1.0OUTPUTPIN_U4DRAM_CLKOUTPUT PIN_A13PIN_B13PIN_A14PIN_B14PIN_A15PIN_B15PIN_A16PIN_B16LVTLLVTLLVTLLVT
15、LLVTLVC LCD_data7.0BIDIRU121V2W1W2Y1Y2N12P1P2PIN_R1PIN_R2PIN_T1PIN_T2VC DRAM_DQ15.0BIDIRCyclone IIinclk0 frequency: 50.00 MHzOperation Mode: NormalClk RatioPh (dg)DC (%)c0 1/1-54.0 50.0c1 1/1 0.0 50.0inclk0 c0c1PLinst clk_0 reset_n in_port_to_the_buton_pio_02.0 in_port_to_the_switch_pio_0 LCD_E_from
16、_the_lcd_0 LCD_RS_from_the_lcd_0 LCD_RW_from_the_lcd_0 zs_adr_from_the_sdram_01.0 zs_ba_from_the_sdram_01.0 zs_cas_n_from_the_sdram_0 zs_cke_from_the_sdram_0 zs_cs_n_from_the_sdram_0 zs_dqm_from_the_sdram_01.0 zs_ras_n_from_the_sdram_0 zs_we_n_from_the_sdram_0 LCD_data_to_and_from_the_lcd_07.0 zs_dq_to_and_from_the_sdram_015.0 CLOCKi
