【小梅哥SOPC学习笔记】NIOS II处理器运行UC/OS II

SOPC开发流程之NIOS II 处理器运行 UC/OS II

这里以在芯航线FPGA学习套件的核心板上搭建 NIOS II 软核并运行 UCOS II操作系统为例介绍SOPC的开发流程。

第一步：建立 Quartus II 工程

建立 Quartus II 工程时需要注意以下几点

1、 器件选择为 EP4CE10F17C8N；

2、 工程路径中不得出现非法字符（空格和中文字符）；

3、 开发工具选择 Quartus II 11.0及以上，这里我选择的版本为 Quartus II 15.1。

4、 由于我们最终的软件工程也是建立在 Quartus II 工程目录下的，而软件工程有一个最让人崩溃的地方就是，软件工程在建立时，很多包含文件是以据对路径存在的，如果你更改了工程路径，那么当你再次编译工程时，就会报错。所以这里我在建立工程时，直接在 E 盘根目录下建立了一个 mysystem 的文件夹，并将工程建立在此文件夹中。这样可以避免路径太深，以后切换电脑时，只需要将工程直接拷贝到新的电脑的 E 盘下即可。只要 QII 软件安装位置相同，再次编译软件工程就不会报错。

第二步：打开 Qsys 工具

在 Quartus II 软件中，依次点击 tools/Qsys，以打开 Qsys 工具。

第三步：在 Qsys 系统中添加 NIOS II 处理器

在左侧的 IP Catalog 的搜索框中，输入 nios，在搜索结果中，选择并添加 NIOS II（Classic） Processor 到右侧的 System Contents 中来。添加时，选择 NIOS II/f 型 CPU。添加完成后，在

System Contents 中修改其名字为 mycpu。

添加完成后，会报如下错误

 

这个是因为目前只添加了CPU，还没有添加对应的存储器，因此会报错。这里不用理会，在后面的步骤中，只要按照操作来，这些错误最好都会消失的。后续操作中如果遇上其他错误也不要惊慌，最后只要系统搭建完成，错误都是会消失的。

第四步：在 Qsys 中添加 UCOS 系统所需定时器

在左侧的 IP Catalog 的搜索框中，输入 timer，在搜索结果中，选择并添加 Interval timer 到右侧的 System Contents 中来。添加时，将 timeout period 设定为 10ms。添加完成后，修改其名字为 ucosii_timer。

 

第五步：在 Qsys 中添加 SDRAM

在左侧的 IP Catalog 的搜索框中，输入 sdram，在搜索结果中，选中并双击 SDRAM Control，在打开的参数配置选项卡中，按照如下图所示的配置进行设置：

 

添加完成后，修改其名字为 sdram。

第六步：在 Qsys 系统中添加 JTAG_UART

在左侧的 IP Catalog 的搜索框中，输入 uart，在搜索结果中，选择并添加 JTAG UART 到右侧的 System Contents 中来。添加时，所有参数默认即可。添加完成后，修改其名字为 JTAG_ UART_0。

第七步：在 Qsys 系统中添加 sysid

在左侧的 IP Catalog的搜索框中，输入 sys，在搜索结果中，选择并添加 System ID Peripheral 到右侧的 System Contents 中来。添加时，设定 32bit system id 为自定义值，我这里设定为0x00000002。添加完成后，修改其名字为 sysid0。

第八步：连线和导出端口

自此，所有的外设添加就已经完成了，接下来，需要将每个模块的端口连接到对应的总线上，这里不一一介绍，详情请参看下图：

 

其中，clk_100M 模块的 clk_in 和 clk_reset，以及 sdram 模块的 wire 需要 export。 将 ucosii_timer 和 jtag_uart_0 的 irq 连接到 mycpu 的 d_irq 上，在右侧的 IRQ 一栏中， ucosii_timer 的中断号设置为 0，jtag_uart_0 的中断号设置为 1。 注意，在Quartus II13.0及以前的版本中，所有部件第二列name栏中并不会有d_irq或irq这样一个信号，这个无需在意，只是没显示而已。只需要直接点击右侧的IRQ一栏中的空心圈并输入序号即可完成中断的分配，如下图所示：

 

第九步：设定 sdram 基地址

在 Base 一栏中，将 sdram 模块的起始地址设置为 0，然后点击地址前面很小的那个锁的符号，使其变为锁定状态。

第十步：自动分配所有模块地址

在 Qsys 系统中，依次点击菜单栏中的 sysytem/Assign Base Address，系统即可自动为我们分配各个模块的基地址。由于 sdram 的基地址本身处于锁定状态，所以在此过程中，可能其他模块的基地址会因为自动修改而发生变化，但是 sdram 的基地址将保持不变。

第十一步：设定 CPU 的复位向量地址和异常向量地址

双击 mycpu 模块，在打开的参数设置中，将 Reset Vector 和 Exception Vector 都选择为 sdram.s1。

以上，我们就完成了完整 Qsys 系统的搭建，接下来，我们就可以生成 Qsys 系统的 RTL 代码了。

第十二步：保存设计

点击 file/save，将我们的系统保存，我这里命名为“cpu”。

第十三步：生成 Qsys 系统的 HDL 代码

在 Qsys 系统中，依次点击 Generate/Generate HDL，在弹出的窗口中，点击 Generate 来完成 HDL 代码的生成。此过程根据电脑配置的不同，大约需要 3 到 5 分钟。

第十四步：在 Quartus II 系统中添加并例化 QSYS 系统

在 Qsys 系统中，依次点击 Generate/HDL Example，在打开的界面中，将 HDL Example 中的代码选中并复制，如下图中红线圈起来的内容：

 

回到 Quartus II 工程中，新建一个 Verilog HDL 文件，将刚刚复制的内容粘贴进去，将文件保存，命名为 mysystem。

第十五步：添加锁相环

在 Quartus II 软件中，依次点击 tools/IP Catalog，在右侧弹出的窗口中，在搜索栏输入 pll，然后双击打开搜索结果中的 Altera PLL，在打开的窗口中，选择 Verilog 格式，并保存名为 sys_pll。然后点击 OK。等待大于 10 秒钟左右，会弹出 PLL 的配置窗口，在配置窗口中，按下图所示的内容进行配置：

 

第十六步：添加 Qsys 系统到 Quartus II 工程中

第十四步中，只是完成了 Qsys 系统的例化，实际并没有将 Qsys 系统添加到 Quartus II 工程中来。这里，我们双击 Quartus II 软件中 Project Navigator 窗口中 Files 选项卡中的 Files

 

在弹出的窗口中，找到 E:\mysystem\cpu\synthesis 路径下的 cpu.qip 文件，加入到工程中。

第十七步：完善 mysystem.v 模块

将 mysystem.v 中的内容完善如下：

module mysystem(
    refclk,
    rst_n,
    sdram_addr,
    sdram_ba,
    sdram_cas_n,
    sdram_cke,
    sdram_cs_n,
    sdram_dq,
    sdram_dqm,
    sdram_ras_n,
    sdram_we_n,
    sdram_clk
); 
    input refclk;
    input rst_n; 
    output [12:0]sdram_addr;
    output [1:0]sdram_ba;
    output sdram_cas_n;
    output sdram_cke;
    output sdram_cs_n;
    inout [15:0]sdram_dq;
    output [1:0]sdram_dqm;
    output sdram_ras_n;
    output sdram_we_n;
    output sdram_clk; 
    
    wire cpu_clk;
    wire sdram_clk;
    wire cpu_reset_n;
    wire pll_locked;
    
    assign cpu_reset_n = pll_locked; 
    
    cpu u0 ( 
        .clk_clk       (cpu_clk),       //   clk.clk 
        .reset_reset_n (cpu_reset_n), // reset.reset_n 
        .sdram_addr    (sdram_addr),    // sdram.addr 
        .sdram_ba      (sdram_ba),      //      .ba 
        .sdram_cas_n   (sdram_cas_n),   //      .cas_n 
        .sdram_cke     (sdram_cke),     //      .cke 
        .sdram_cs_n    (sdram_cs_n),    //      .cs_n 
        .sdram_dq      (sdram_dq),      //      .dq 
        .sdram_dqm     (sdram_dqm),     //      .dqm 
        .sdram_ras_n   (sdram_ras_n),   //      .ras_n 
        .sdram_we_n    (sdram_we_n)     //      .we_n 
    ;
    
    sys_pll_0002 sys_pll_inst ( 
        .refclk   (refclk),   //  refclk.clk 
        .rst      (~rst_n),      //   reset.reset 
        .outclk_0 (cpu_clk), // outclk0.clk 
        .outclk_1 (sdram_clk), // outclk1.clk 
        .locked   (pll_locked)    //  locked.export 
    );
    
endmodule 
 

第十八步：分析和综合；

第十九步：分配引脚

引脚分配如下表所示：

第二十步：全编译

此过程大约需要 6 到 10 分钟左右；

第二十一步：配置固件到FPGA芯片中

将生成的 SOF 文件配置到芯航线开发板中。

第二十二步：打开 NIOS II EDS 软件

在 Quartus II 软件中，依次点击 tools/NIOS II software Buil tools for Eclipse，在打开的

Workspace Launcher 中，设定 Workspace 为 E:\mysystem，然后点击 OK。

第二十三步：建立 UC/OS II 模版工程

在打开的开发环境中，点击 File/New/Nios II Application and BSP from Template。

 

在打开的窗口中，按下图所示的内容进行选择：

 

然后系统便能为我们自动生成完整的系统，生成后的界面如下所示：

第二十四步：编译软件工程

此时，我们按下键盘上的组合键“ctrl + B”，就能够对软件工程全编译。

第二十五步：下载并运行

编译完成后，点击 Run/Run Configurations，在打开的窗口中，

 

双击 Nios II Hardware，在弹出的界面中，选择 Project Name 为 myucosii（注：图中我的工程名为 myucos，只是工程名字不同而已，无其他影响）。

 

选择完成后，切换到 Target_Connection 选项卡中，如下图：

若 1 处和 2 处无内容，则点击 3 处的 Refresh Connections，直到 1 和 2 中出现我们的 Cable 和 Device 为止。选中 4 处的两个选项。然后点击 5 处的 apply，最后点击 6 处的 Run，则系统将启动软件烧写过程，并在烧写完成后启动 FPGA 中的 Nios II 处理器。

此时，我们在Eclipse 的 Nios II Console 窗口中便能看到 Nios II 处理器通过串口发送到 PC 上的内容，如下图所示：

自此，整个在芯航线FPGA上搭建 NIOS II 处理器并运行 UC/OS-II 系统告一段落。

本文主要通过一个最简单的例子介绍了常见的SOPC简单开发流程，后续详细的SOPC开发教程敬请关注小梅哥后续视频教程。