【连载】【FPGA黑金开发板】NIOS II那些事儿--LED实验（四）

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      这一节，我将给大家讲解第一个与硬件有关的程序，虽然内容简单，却极具代表性。我将采用一种寄存器的操作方式，让大家感受到开发NIOS跟单片机一样的简单，看透NIOS II开发的本质，尽量避免使用NIOS II IDE提供的API，这样做有很多好处。首先，有单片机开发经验的人很熟悉这种操作方式，其次，可以了解到NIOS的本质，真正的去开发它，而不是仅仅用它的API来写一些应用程序。

      做过单片机试验的人一定对LED实验记忆犹新，因为它是硬件试验部分的第一课，通过这个简单的实验，可以让你对单片机的操作有一个感官上的了解，可以说意义不同寻常。这一节，我也通过LED实验来带大家进入NIOS II的开发世界，感受NIOS的魅力所在，下面我们开始吧。

构建PIO模块

第一步，我们要在软核中加入PIO模块。打开我们第一节建的Quartus工程，然后双击KERNEL，如下图红圈所示

点击后进入了SOPC BUILDER界面，如下图所示

点击下图所示红圈处PIO(Parallel I/O)

点击后，如下图所示，红圈1处是你需要的PIO口的宽度，即你需要几个IO口，这里面我设置为4，即我要控制4个LED，红圈2是选择输出方式，我选择为输出（Output）。

接下来，点击Finish，完成PIO模块的构建，然后将其改名为PIO_LED,如下图所示

接下来，需要自动分配一下地址，第一节我们已经讲过，如下图所示

接下来，我们就要开始编译了，点击Generate，需要保存一下，点击save，开始编译。

经过一段耐心的等待，编译成功，如下图所示

完成了上面的工作，点击Exit，会出现下面的界面，询问是否需要对KERNEL进行更新，点击“是(Y)”。

然后，会出现下面界面，点击OK

点击后，会出现下面情况，连线错位，这就需要我们手工来整理一下，将相应的管脚相连接。

整理还以后，如下图所示，可以看出，还有PIO_LED没有管脚相连，我们来建立一个输出管脚,并重命名

最后的样子大家可以看到，如下图所示，我们将将其命名为LED[3..0]，这是quartus中总线的命名方式，大家要注意。

一切准备好了，我们需要给他进行引脚分配，按下图所示

点击Tcl scripts,如下图所示，选中kingst.tcl，点击Run，完成管脚分配。

下面，我们开始编译了，又是一次漫长的等待后，看到了下图红圈所示，说明编译成功。

我们再来看看我们占用了多少资源，如下图所示，还是66%，说明一个PIO模块占用资源很少的。

到此为止，我们在软核中添加PIO模块已经完成，接下来，我们进行的就是在NIOS II IDE中开发软件部分。

软件编程

      首先打开NIOS II 9.0 IDE，打开后，第一件事就是重新编译整个工程，按快捷键Ctrl+b。又一次漫长的等待之后，我们打开system.h文件，大家能看到有什么变化么，可能有人发现了，system.h文件对比之前的多了下面内容，这部分内容就是我们在软核中新构建的PIO_LED模块，我们将要用到的是PIO_LED_BASE，它是PIO_LED所有寄存器的首地址。

      下面，我们就来运用这个首地址来进行编程，完成对4个LED的控制。

第一步，我需要建立一个放置头文件的文件夹，我将其命名为inc，方法如下图所示，鼠标在hello_world上点击右键，然后点击New中的Source Folder，这样就建立了一个文件夹，

然后会出现下图，在红圈处输入inc，点击Finish，完成文件夹建立。

大家可以看出，在左边工程目录栏中多出了一个inc文件夹，如下图所示

接下来，我要在inc中建立一个头文件，方法如下图所示，在inc上点击右键，然后点击New中的Header File，红圈处所示

点击以后，出现下图，在红圈处输入sopc.h，点击Finish，完成头文件的构建。

完成上面的工作以后，代码栏处，可以看到下图，现在我们就对其进行编辑

修改后的代码如下图所示，

大家可能看到上面的代码不明白什么意思，这很正常，第一次接触NIOS的人不是很了解这个东西，我现在就给大家详细的讲解一下。

首先我们看红圈2处的结构体，在这里，我们定义了一个结构体，将其命名为PIO_STR，这个结构体的结构是有说法的，它是根据芯片手册来写的。我现在给大家截个图，这个图来自《n2cpu_Embedded Peripherals.pdf》，版本是下图所示

其中9-5页和9-6也中有这么一个表格，如下图所示

这个表格就是PIO Core寄存器映射，我的结构体就是根据它来写的，名字不重要，重要的是它的顺序，也就是偏移量（offset）。第一项是数据data，第二项是IO口方向，第三项是中断控制位，第四项是边沿控制位。他们每一项都有n位，这个n就是我们在软核构建中的宽度（width），如下图所示的红框1，我们之前设置为4，那么n等于4。

接下来，我们来讲红框3中的代码，这部分代码中你一定记得PIO_LED_BASE，对，这就是我之前在system.h中特意强调的，PIO_LED的基地址。那我红圈3中的代码意图就很明显了，定义了一个宏，命名为LED，它是指向PIO_LED_BASE的结构体指针，这个结构体就是PIO_STR（如果大家对结构体指针不理解，那你就得回去看C语言书了，我在这就不具体说了）。红圈1的代码也很简单，是为了控制红圈3的定义的，这样做是为了增强代码的严谨性和可控制性。当你没有定义PIO_LED_BASE时，你就可以将红圈1中的宏定义#define _LED去掉，不多说了，再多说就挨砖块了，呵呵。

      大家理解了sopc.h代码以后，我们就可以进行C代码编程了。忘了说了，在NIOS II IDE中一定要记得修改以后保存，它很幼稚的，编译前不会提醒你去保存的，如果你忘记了保存，相当于你没有修改。好了，下面我们进行C代码编程了。

      为了规范化程序，我需要对程序做一些调整，以便以后的讲解。首先建立两个文件夹，分别命名为driver，main。建好以后，如下图所示，

然后将hello_world.c名字改为main.c，并将它放到main文件夹中。改好以后，如下图所示

接下来，我们来修改main.c中的程序，我先介绍一下我这段代码的目的，这段代码就是控制我的黑金开发板的4个LED，让他们按顺序闪烁，就是大家习惯说的流水灯。下图就是我们要控制的4个LED,当FPGA将相应的管脚置1时，LED就会亮，当置0，LED就不会亮了。

修改好的程序如下图所示，首先说红框1，有些人可能没用过这种方式，这是一种相对路径的方式调用头文件，好处就是可移植性好，不管工程放到其他什么地方，这个头文件和c文件的相对位置都不会变，也就不需要对这个地方进行修改。再说红框2处的代码，关键是LED->DATA = 1<<i；LED大家应该记得，LED是我们在sopc.h中定义的宏，是结构体指针，那么LED->DATA是什么意思大家就应该很清楚了，是它的结构体中DATA的内容（不是地址）。LED->DATA = 1<<i；就是对LED->DATA的四个位循环置1。所以，4个LED就会按顺序闪烁了。usleep是微妙级延时，我们在这里每次延时0.5ms。

      讲到这里，第一个程序就讲完了，下面需要做的就是编译，下载程序到FPGA，验证是否正确，我就不详细说了。

接下来，我们总结一下这节内容。我们来对比一下寄存器操作方式与API之间有什么联系和不同，上面的程序，如果用NIOS II IDE提供的API来写，那么如下图所示

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO是一个宏，在altera_avalon_pio_regs.h中，其定义如下

（大家可以按住ctrl键后，用鼠标点击进入定义所在的位置），大家可以看到，它是一个IOWR的宏，而IOWR的具体写法我就在此不详细说了（大家感兴趣的可以去NIOS的源码），反正就是对硬件地址的控制。我的做法就是绕过这个大圈子，直接去控制它的寄存器。

      大家可能可能有点纳闷，我们的机构体中定义了四个变量，但只用了DATA一个，在这说明一下原因，首先是DIRECTION。这个是IO的方向，就是说是输入还是输出，或者是双向的。因为在我们构建PIO模块的构成中有了一个选项，如下图所示，红圈2，我们选择了输出（Output ports only），也就是我们在底层就已经固定了它的方向，所以在软件中就不需要在定义了。还有两个变量是涉及到中断时才会用到，所以在这个程序中也没有用到。

 

      这一节是以后内容的基础，希望大家好好的理解，尤其是sopc.h中定义的那个结构体，大家一定要理解清楚。以后，还会涉及到UART，SPI等，都需要建立结构体，这个都是触类旁通，举一反三的东西，弄清楚一个，其他的都好理解了。

      我要提醒大家一句，我虽然提倡大家用操作寄存器方式编程，但并不希望所有的程序都按这种方式来写，比如说对flash的操作，我们就可以使用API来写，因为flash的操作相对复杂，而利用API可以很简单的几个语句就能完成，没必要自己来写。

      好了，今天我们就讲到这里，下一节我们将讲一下NIOS如何在线调试，以及调试中的一些小技巧，希望大家耐心等待……