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基于FPGA软核,定制你的SoC


打造自己的CPU,自己的System On Chip!
本文以Step by step的方式Guide You来定制你自己的NIOS-II软核SoC,并创建C语言的流水灯测试程序,运行在自己做的CPU系统上。
 
软件
Quartus II 12.0,  Nios II 12.0 Software Build Tools For Eclipse. (在安装Quartus II时,所需软件 一起安装。)
 
硬件

 
FPGA跑起Linux, UCOS-II等RTOS,是可行的,据相关人士的测试数据该软核在FPGA上性能介入ARM7-ARM9.
 
一,详细步骤定制
1,  打开Quartus II 并且新建一个空的工程。
File -> New Project Wizard

Click the Next button.


Click Next.

选择与开发板对应的FPGA芯片。Click Next

Click Next.

最后Finish. 如下图:

 
 
2,  使用SOP Builder 工具来生成自己的软核
Tools->SOP Builder

Click OK, if Qsys 提示.
从左边Panel的Tree 里选择Nios Processor
双击Processors->Nios Processor

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RAM设置好以后才能修改这里.
 
一路点击Next,最后Finish.

接下面我们要添加片内RAM 选择左边目录树下的 
Memories and Memory Controllers ->  On-Chip ->   On-Chip Memory (RAM or ROM) 

本例中我只使用1024bytes.
接下来建立一个SystemID 
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。 
在左边窗口的Peripherals-> 
     Debug and performance ->        System ID Peripheral 双击System ID Peripheral

接下来创建JTAG UART  
首先    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。  选择sopc builder主窗口左边  Interface Protocols->    Serial->  JTAG UART

接下来要添加一个PIO模块(Parallel I/O)

其中Width 表示要建立的PIO宽度是多少,我们的板上有8个LED,选择宽度为8,Direction复选框中表示要建立的PIO的方向,分别表示   Bidirectional(tristate) ports  (双向三态口)   Input ports only    (仅仅作为输入口)   Both input and output ports (作为输入和输出口)   Output ports only   (仅仅作为输出口) 
  在本实验中,将要实现的是点亮LED,所以这个新建的PIO采用Output ports only(仅输出口)方式
 
查看配置的结果:

重命名系统 内组件。

双击cpu并设置内存

点击 Finish.
  执行System菜单上的Auto-Assign Base Addresses 自动分配一下地址。

 


开始编译,经过耐心等待后,程序编好了,查看下最后的输出如下:
 

最后一行显示Info: System generation was successful,产生成功。  
点击Exit退出,会回到quartusii主界面。
 
新建一个Block Diagram/Schematic File

在丁板上双击左键:

点击,放在丁板上,
放好后,在NIOS软核kernel上点击右键后点击Generate Pins for symbol ports

双击out_port_from_the_pio_led[7..0]拉出来的端口符号,重命令

分配引脚有多种方法,常用的为tcl脚本分配,建立一个文件,取名为nios2.tcl,文件内容如下:
set_global_assignment -name RESERVE_ALL_UNUSED_PINS "AS INPUT TRI-STATED"
set_location_assignment PIN_16 -to clk_0
set_location_assignment PIN_17 -to reset_n
set_location_assignment PIN_10 -to led[0]
set_location_assignment PIN_11 -to led[1]
set_location_assignment PIN_26 -to led[2]
set_location_assignment PIN_35 -to led[3]
set_location_assignment PIN_27 -to led[4]
set_location_assignment PIN_28 -to led[5]
set_location_assignment PIN_33 -to led[6]
set_location_assignment PIN_34 -to led[7]
 
保存到工程目录下。
 
菜单上Tools-> Tcl Scripts 运行刚刚的脚本。

右击选Device

Saveall,  
会提示你nios2.bdf保存到哪里?直接点确认,我们此例中就保存在示例目录下   
 
3,  执行菜单Processing -> Start Compilation,开始进行编译
编译完成,下载固件程序到EPCS1或使用JTAG下载到RAM.
 
二,生成C语言的程序并调试运行
1,  以管理员方式运行Nios II 12.0 Software Build Tools for Eclipse
新建 一个测试程序:

 

 

点击Finish.
 
替换Demo程序的源码如下:
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "system.h"
 
#define _LED 1
 
typedef struct
{
    unsigned long int DATA;
    unsigned long int DIRECTION;
    unsigned long int INTERRUPT_MASK;
    unsigned long int EDGE_CAPTURE;
}PIO_STR;
 
#ifdef _LED
#define LED ((PIO_STR*)PIO_LED_BASE)
#endif
 
int main()
{
    int i;
 
    while(1)
    {
       for(i=0;i<3;i++){
           LED->DATA = 1<<i;
           usleep(50000);
           usleep(50000);
       }
    }
}
 
重新编译:

此时连接好USB-Blaster,使用JTag模式,下载程序到FPGA的软核上。可以到成功正常运行。
 

谢谢!祝君成功!
 

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