(原創) 如何設計一個SD卡Wav Player? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (DE2-70)

Abstract
在上一篇blog，我們學會如何開發一個硬體Controller，並加上軟體API，讓Nios II軟體能順利地控制硬體，並且讓七段顯示器從0屬到100。或許由同學會問：『要讓七段顯示器從0數到100，我用純硬體的方式開發，全部的Verilog程式碼不超過50行，為什麼要大費周章的使用軟硬體設計的方式呢?還要多學了SOPC Builder、Avalon Bus、Nios II，增加學習曲線，執行速度也比純硬體慢，FPGA所使用的資源(LE)也比純硬體多很多!!』

本Lab是軟硬體設計的精典範例，你將會感受出軟硬體設計的威力。

Introduction
使用環境：Quartus II 8.1 + Nios II EDS 8.1 + DE2-70 (Cyclone II EP2C70F896C6N)

這4篇原本是設計在一起的lab，適合初學者從0開始慢慢熟悉Quartus II、SOPC Builder、Nios II EDS、Avalon Bus Slave、Avalon Bus Master。

(原創) 如何自己用SOPC Builder建立一個能在DE2-70上跑μC/OS-II的Nios II系統? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (μC/OS-II) (DE2-70)
(原創) 如何設計一個七段顯示器Controller? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (DE2-70)
(原創) 如何設計一個SD卡Wav Player? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (DE2-70)
(原創) 如何設計一個數位相框? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (DE2-70)

(本範例取自Terasic範例光碟，並非我個人設計，我只是稍加修改適合教學)

 

系統架構圖

硬體部分
將lab3_files.7z的DE2_70_SD_Card_Audio_Player複製到c:\DE2-70下

Step 1：
加入I2C

新增了i2c_sclk與i2c_sdat

其實只是PIO

Step 2：
加入SDCard

(demo如何插入SD卡)

其實只是PIO

Step 3：
加入Audio Controller

Altera並沒有內建Audio Controller，目前用的controller是由Terasic所提供，注意他的clk是18MHz，與其他周邊都不一樣。

Audio Controller含有source code可供研究。

Step 4：
加入7段顯示器

Altera沒有內建7段顯示器Controller，，目前用的controller是由Terasic所提供，其實這個controller與(原創) 如何設計一個七段顯示器Controller? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (DE2-70)我們自己寫的controller是完全一樣的。

Step 5：
SOPC Builder Generate
Quartus II編譯
Programmer燒入FPGA

軟體部分

Step 6：
Import DE2_70_SD_Card_Audio_Player與DE2_70_SD_Card_Audio_Player_syslib_0

用相同的方法import DE2_70_SD_Card_Audio_Player_syslib_0。

Step 7：
修改main.c

main.c / C

將265行與270行改成

bSuccess = Fat_FileOpen(&gWavePlay.hFile, pFilename);
if (!bSuccess)
  DEMO_PRINTF("wave file open fail.\n"); 

if (bSuccess) {
  bSuccess = Fat_FileRead(&gWavePlay.hFile, gWavePlay.szBuf, WAVE_BUF_SIZE);

Fat_FileOpen()與Fat_FileRead()是FatFileSystem.h所提供的API，負責讀取SD卡中的wav檔。

Step 8：
將gcc編譯改成release模式

這是本實驗一個大trick，很多人最後結果失敗，都因為少了這個步驟，Altera與Terasic都沒有提到這點。

Step 9：
Run As Hardware

將lab3_wav1.7z與lab3_wav2.7z放到SD卡上，執行成功，將可聽到貝多芬的『給愛麗絲』。

操作方式
KEY1：Volumn Down
KEY2：Volumn Up
KEY3：Next Song
KEY4：Repeat current song

LED會根據聲音的大小變動。

完整程式碼下載
lab3_files.7z (一個未完成的半成品，可以根著本文一步一步完成)
lab3_wav1.7z (wav檔)
lab3_wav2.7z (wav檔)
DE2_70_SD_Card_Audio_Player.7z (最後完整的結果)

Question
(這是我當時給學生的homework，各位有興趣可以自己自做做看)

1.請將gcc改用Debug模式執行，看看結果如何?並解釋為什麼Debug模式會有這種結果。

2.使用Lab 1的Hello μC/OS-II project template，試著將本範例加上μC/OS-II。

3.能夠將本範例用純硬體實現嗎(只使用Verilog，而不使用C)?說說你的想法。

Conclusion
本Lab是由DE2-70的範例DE2_70_SD_Card_Audio_Player所改編，由於軟硬體的code很多，無法一一詳解，請同學自行研究，重點放在如何使用SDCardDriver.h與FatFileSystem.h提供的API讀取SD卡上的檔案，下一個Lab的數位相框將使用這個技巧，將SD卡上的bmp檔讀入到LCD上，實做出一個數位相框。

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