【连载】【FPGA黑金开发板】NIOS II那些事儿--硬件开发(一)

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前言

    从今天开始，NIOS的学习征途正式拉开了。对于NIOS的学习爱好者，我相信这是一个福音，我将毫无保留的将我对NIOS的研究成果分享给大家。我之所以采用博客这种方式，就是想跟大家充分的交流，大家可以给我留言，也可以在Ourdev中提出问题，我将尽我的全力为大家解决问题。由于本人水平有限，如果有我解决不了的问题，还请高手们多多帮忙，我相信能为大家解决问题是一件很快乐的事情，你不会错过的。

废话少说，我们马上进入正题。今天是第一节，我首先说一下学习NIOS都需要哪些前提条件。听到这，初学者可以会有些害怕了，难道学习NIOS还要条件？是的，需要条件，不过这些条件并不是很高，只要大家努力，这些条件都不是问题。

• 具有一定的单片机基础；
• 具有一定的C语言编程能力；
• 了解Quartus II的开发流程；
• 一块开发板；

    就这么多，大家觉得难么？首先说说第一条，具有一定的单片机基础，这个条件是要有的。单片机的基础在NIOS II学习中体现在它的寄存器操作方式上，这种操作方式是通用的，不管是ARM，DSP，还是51都是一样的，你只要有一种单片机的实践经验就没问题了。再说第二条，这一条没什么可争议的，NIOS的开发完全是用C语言的，如果你没有C语言的基础，我建议你还是先学习一下C语言再考虑学习NIOS吧。第三条呢，有最好，如果没有的话也可以，我在以后的文章中都会涉及到，大家跟着学就可以了。第四条也不是必须的，不过学习NIOS不像学习Verilog/VHDL，通过仿真看看也行，NIOS的学习跟单片机很相似，最好是亲手操作硬件，这样对你的学习有更好的效率和效果。在这里推荐一下我的FPGA黑金开发板，不仅仅是广告哦，因为我以后的讲解都是以我的黑金板为基础的，大家学习起来也很方便的。

 

简介

    NIOS是一个用户可配置的通用32位RISC嵌入式处理器，它是SOPC（System On a Programmable Chip,片上可编程系统）的核心。处理器以软核形式实现，具有高度的灵活性和可配置性。NIOS的开发包括硬件开发和软件开发两部分。硬件开发是在Quartus II中实现的，而软件开发部分是在NIOS IDE软件中实现的。我们首先来介绍NIOS的硬件开发。所谓硬件开发就是用Quartus II 和 SOPC builder来建立自己需要的软核。

 

软件版本:本教程基于Quartus II 9.0，NIOS IDE 9.0编写

 

建立工程

    首先，打开Quartus II 9.0软件

接下来，建立一个工程File->New Project Wizard

第一行是工程的路径，你选择你放置的路径即可。

第二,第三行都是是工程名，写好以后如下

 

点击Next，

这个不用动，接着点击Next

在这里，Family里选择Cyclone II，在Available devices中选择EP2C5Q208C8(具体内容根据你的芯片所定)。如上图所示。

接着点击Next，不用动，点击Finish，显示如下图所示。

到此为止，工程已经建立完成。接下来，需要建立一个Block Diagram/Schematic File，点击File->New，如下图所示

点击OK，完成建立，工程中出现了一个Block1.bdf文件

 

建立NIOS II软核

    接下来，我们进入了软核建立环节，这一步很重要，是建立软核的核心步骤。点击Tools->SOPC Builder或者下图红圈标示的图标

点击以后，SOPC Builder运行，界面如下图示

System Name中输入软核的名字：我将其命名为KERNEL。点击OK后，如下图所示

按图中标注的，clk_0为时钟名称，50.0为时钟值（单位为MHz），我们可以对他们进行修改。用鼠标点击50.0，将其改为100.0。这时候，我们的软核时钟就为100.0MHz了。这是软核建立的第一步，接下来，我们要建立Nios II Processor。

建立CPU

    用鼠标点击左侧边框的Nios II Processor，如下图红框所示

点击后，将出现下图

这一步我们来选择软核的类型。这里给我们提供了三种类型，Nios II/e占用资源最少600-800LEs，功能也最简单，速度最慢。Nios II/s占资源比前者多一些，功能也多了，速度也快一些Nios II/f占资源最多，功能也最多，速度就快。选择的时候要根据你的需求和你的芯片资源来决定。在这里，我选择Nios II/s，功能和速度都可以得到满足。下面的Reset Vector是复位后启动时的Memory类型和偏移量， Exception Vector是异常情况时的Memory类型和偏移量。现在还不能配置，需要SDRAM和FLASH设置好以后才能修改这里，这两个地方很重要。接下来连续点击Next，一直到下图为止

这里设置JTAG Debug Module，即JTAG调试时所用到的功能模块。功能越多，需要的资源越多，这里，我们选择Level 1即可，不需要过多其他的功能。点击Finish，结束Nios II Processor的建立后，如下图所示

建立SDRAM模块

    接下来，我们要建立SDRAM控制器，点击下图红框所示的地方

点击后，如下图所示

在Presets中选择第一项Custom，在Bits中选择16，其他项不动，点击Next，点击Finish，完成SDRAM控制器的设置。在这里之所以选择16，是因为我们用的SDRAM（HY57V641620）是16位的。

建立Avalon三态桥

    接下来，我们要建立一个Avalon三态桥，在NIOS系统中，要实现与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三态桥。点击下图所示红圈处

点击后，如下图所示

点击Finish后，完成三态桥的建立。

建立CFI模块

    接下来，我们就建立Flash Memory Interface(CFI)模块，点击下图所示红圈处

点击后，如下图所示

其中Presets，我们选择Custom，Address Width(bits)是地址线宽度，我们选择21，Data Width(bits)数据线宽度，我们选择8位。这些的选择都是根据芯片和电路设置决定的，我们的FLASH（AM29LV1602）可以选择为8位模式和16位模式，我在设计电路的时候将其配置为8位模式，所以在此数据线宽度选择为6位，地址线宽度选择为21位。设置好以后，点击Next，出现下图所示

    这里，我们需要设置三个量，Setup，Wait，Hold，我们分别将其设置为40，160，40如上图所示。这些量都是根据FLASH的芯片决定的，各个芯片都不一样，在此不具体讲了。点击Finish后，完成Flash Memory Interface(CFI)的建立。到此为止，我们已经建立了CPU,SDRAM,FLASH模块，接下来，我们还要添加一些必要的模块，System ID，JTAG UART。

建立SYSTEM ID

    System ID就是一种标示符，类似校验和的这么个东西，在你下载程序之前或者重启之后，都会对它进行检验，以防止错误发生，大家知道这个东西就可以了，没太大的用处，但需要有的。点击下图所示红圈处

点击后下图所示

点击Finish，完成System ID的建立。

建立JTAG UART

    JTAG UART是实现PC和Nios II系统间的串行通信接口，它用于字符的输入输出，在Nios II的开发调试过程中扮演了重要的角色，接下来我们开始建立它的模块。点击下图所示红圈处，

点击后，如下图所示

什么都不用修改，直接点击Next->Finish完成 JTAG UART模块的建立。到此为止，最基本的NIOS系统模块就建立完成了，如下图所示

配置及编译NIOS II

    我建议大家将他们的名字都改一下，将_0都去掉，看着别扭，鼠标右键点击相应名字，Rename就可以修改了。我们离成功已经很近了，再进行几步处理以后，我们就可以编译了 ，大家加油吧。大家看下图红圈处

cfi_flash还没有跟tristate_master连接，当我们把鼠标移到红圈处位置时，就出现了下图所示的情况

这时候，我们用鼠标点击红圈处的空心圆，这时候奇迹出现了，呵呵，如下图所示

空心圆变成了实心圆，这就完成了cfi_flash与三态桥的连接，大家亲手试试吧。接下来我们需要对cpu进行设置一下，双击cpu，Reset Vector处的Memeory选择cfi_flash，Exceptioni Vector选择sdram，其他不变，如下图所示出现下图所示

点击Finish，完成cpu设置。

    接下来，我们需要对FLASH地址进行锁定，保证FLASH的起始地址为0x00000000，因为FLASH是系统重启后的起始位置，这样做的好处就是有利于我们操作，系统重启后从0x00000000开始也是我们的思维习惯。点击系统所示的红圈处

点击后，奇迹又出现了，看看下图吧

开着的锁合上了，ALTERA还真逗啊。

    最后一步设置就是对地址自动分配，这样做是为了不浪费空间，如果有特殊要求的，也可以手动设置，点击相应的地址，就可以手动修改了，大家自己试试吧。地址自动分配操作如下，点击下图所示红圈处，SYSTEM->Auto-assign Basic Addresses

点击后，大家可以发现，各个模块的地址都有相应的变化，但CFI_FLASH基地址还是0x00000000，锁定的还算成功啊，呵呵！接下来是中断的自动分配，和地址自动分配一样，SYSTEM-> Auto-assign IRQs，如果有什么特殊需要，可以手动更改中断的优先级。之所以要自动分配一下，是因为这个软件还不够智能，当模块建好以后，有出现重复中断号的现象，编译的过程就会出现问题，自动分配了以后就不从上自下按顺序排列了。你还会发现，图片上出现的红叉也都消失了。展现我们的劳动成果最后的样子，红叉没有了吧，这时候我们就可以编译了。

点击Next，出现下图，如果需要仿真的，点击红圈处，将其选中，我一般不进行仿真，此处就不选了。

点击Generate，我们就开始编译了。想休息的赶紧休息一下，想去WC也快去吧，时间还充裕，呵呵……经过漫长的等待以后，我们的程序终于编译好，请看下图红圈处，看到successful了么？只要看到他就没问题了，软核已经好编译好了，点击Exit，回到了Quartus界面。

分配管脚

    回到Quartus界面以后，在Block1.bdf界面里在空白处双击左键，会出现下图，看多了下图红圈处的地方了么，这个就是我们做好的NIOS II软核了，用鼠标双击它（或者选中以后点击OK）后，将其放到Block.bdf的空白处。

放好以后，如下图所示

在NIOS软核KERNEL上点击右键后点击Generate Pins for symbol ports，这一步作用就是生成管脚，通过命名以后分配真是的引脚。

点击后，如下图所示，

建立锁相环PLL模块

    接下来的工作我们还需要建立一个锁相环，对时钟进行倍频，我们板子上是20MHz的有源晶振，我们要将其倍频到100MHz满足我们之前设定的NOIS软核的时钟，还需要为SDRAM提供100MHz的时钟。下面我们就开始锁相环PLL模块。在Block.bdf的空白处双击鼠标，点击下图所示的红圈处

出现下图后点击Next

出现下图所示,用鼠标选中红圈1所在的位置ALTPLL,在红圈2所在的位置处，加上PLL，目的是将我们所要建立的锁相环命名为PLL。

一切弄好以后，点击Next，如下图所示，将红圈处设置为20，即我们输入的晶振为20MHz

设置好以后，点击Next，将下图中选中的地方去掉后，

连续点击Next，等出现下图以后，将红圈处设置为5，这是c0输出的频率就设置为了100MHz，可以从Actual settings处看出来。

    设置好以后点击Next，出现下图，将红圈1处选中，红圈2处修改为5，红圈3处修改为-75。这部分是给SDRAM提供时钟，我们利用锁相环PLL的c1来提供，时钟频率设置为100MHz，偏移量为-75deg（这个地方影响到SDRAM是否正常运行，我们将在以后具体讲述他的设置，在这里不详述了）。

    设置好以后，连续点击Next，中间没有需要修改的，最后点击Finish，完成PLL的建立，然后点击OK，回到Quartus界面，将我们建好的PLL放到空白处。接下来的工作就是将PLL连接到NIOS软核上。如下图所示（连线方式很简单，大家自己研究一下，我就不具体说了）

    接下来我们要给SDRAM的时钟分配引脚，这个就由c1完成了。首先是加一个output引脚，方法很简单，在空白处双击，出现下图，在Name处输入output，一个回车，OK了。假如你要加入input，即输入引脚，你就在Name处输入input，还有双向引脚的是bidir，常用的就这几个，大家记住了就可以了，很简单。

将其放到下图红框所示位置，连好线就OK了

调整FLASH引脚

    接下来，我们要对Flash连接做一下处理，因为是8位模式的解法，所以FLASH的21位地址线的最低位要跟F_ALSB相连，如下图所示红圈处，（下图为FLASH的原理图，8位模式的时候，BYTE#引脚下拉，16位模式的时候则需要上拉，请大家注意）

那么，我们就来修改一下，修改结果如下图所示

    这里，需要注意红圈处的改动，将软核输出命名为F_A_T[20..0]，F_A[19..0]连接的是F_A_T[20..1]，F_ALSB连接的是F_A_T[0]，不知大家是否能看的懂。这个地方命名方式是这样的，点击想命名的线，当被选中后，直接输入你想输入的网络标号即可，大家自己试试吧，很简单。大家要注意一下，网络标号的颜色跟线的颜色是一样的，而文字的颜色是绿色的，大家要区分开，如下图所示

TCL脚本文件

    接下来就要开始分配引脚了，分配引脚有两种方式，在这里我只讲一种，也是我觉得比较好的一种，就是通过TCL脚本文件，这个文件有固定的写法，只要根据你的引脚情况修改一下就可以了，如下图示所示

我们要命的名字就是后面那部分，PIN_*是FPGA硬件上的引脚，S_DB[*]就是对应的名字。下面我们举例说明一下吧我现在修改时钟管脚，如下图所示，将其命名为CLOCK，咱们再来看对应的TCL脚本文件

我们可以看到，CLOCK是对应PIN_23，我们再来看原理图

我们可以看到，下面的原理图中20MHz晶振X1接的就是FPGA的23脚

这回大家知道是怎么回事了吧，我将会提供给大家写好的TCL文件，到时候大家根据我给大家的TCL文件，将相应的管脚命名即可。下面我就将其他的管脚重命名，这是个繁琐的工作，很无趣。修改好以后，我们来看如何执行TCL脚本文件，按下图所示操作

点击以后，出现下图，我们选择第一个（前提是你将kingst.tcl放到工程文件下）

选中后点击Run，如下所示，又看见Successfully了吧，这说明我们脚本文件运行成功了。

配置工程

    先保存一下吧，保存好以后，接下来，我们要对工程配置一下了，在左侧边框栏右键点击SOPC_T，如下图所示

点击setting后，如下图所示，点击红圈处Device and Pin Options

点击后，如下图所示

点击后如下图所示，点击红圈处Configuration

点击后，如下图所示，将红圈处改为EPCS1，然后点击Dual-Purpose Pins

点击后，如下图所示，将红圈处改为Use as regular I/O

都修改好以后，点击确定，点击OK。接下来就开始了又一个漫长的编译过程了，大家又可以休息一会了。点击下图所示红圈处的按钮，开始编译。

经过了漫长的编译过程，如果没有问题，编译成功后将出现下面的对话框

    点击确定，编译过程全部结束。我们可以通过编译报告来看看我们用了多少资源，如下图所示，红圈处可以看出，我们这个系统，用了66%的TLE。

    最后，我们需要检查一下，是否每个引脚都已经分配好了，以免有个别没有分配的，影响后面的实验。回到SOPC_T.bdf，看一看是不是每个引脚都有个小“尾巴”，如下图所示

有的，说明这个引脚已经分配好了，仔细检查好每一个引脚，如果没有问题，就可以把程序下载到硬件里面了。

下载程序

    编译好以后的程序会生成两种格式的文件*.sof和*.pof,*.sof文件是给通过JTAG模式下载到FPGA内部的，掉电丢失。*.pof文件是通过AS模式下载到EPCS1中的，掉电不会丢失。说到这，简单介绍一下AS模式和JTAG模式。Cyclone系列的FPGA使用SRAM单元来存储配置数据。SRAM是易失性的，每次上电之前，配置数据必须重新下载到FPGA中。Cyclone FPGA的配置方式包括：主动配置模式（AS），被动配置模式（PS）以及JTAG配置模式。我的黑金板上配置了AS和JTAG两种模式，我们通过AS口可以将程序下载到EPCS1中，如下图操作方式，点击红圈处的图标

    点击后，进入下图所示界面，红圈1是模式选择，红圈2是下载器的选择，红圈3加入相应的文件。如果你通过JTAG口下载程序，就要将下载线接到JTAG口，选择JTAG模式，将*.sof文件加入到这里面。如果你通过AS口下载程序，你就要将下载线接到AS口，选择AS模式，将*.pof文件加入到这里，大家自己试试吧。最后点击Start，开始下载。现在市面上的下载线以USB-BLASTER为主，价格各有不同，贵的有200多的，便宜的50多块钱，我觉得可以用就行，贵的未必好，自己的看法啊，大家自行选择吧。

    到这里，我们有关硬件开发的部分就高一段落了，如果对以上内容有问题，请大家留言，我将尽快给大家解决。

    下一节，我将给你讲解NIOS II软件开发部分内容，敬请关注……