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实验2-Nios-II入门实践

一、硬件部分设计

1、实验目的

（1）学习 Quartus Prime 、Platform Designer、Nios II SBT 的基本操作；
（2）初步了解 SOPC 的开发流程，基本掌握 Nios II 软核的定制方法；
（3）掌握 Nios II 软件的开发流程，软件的基本调式方法。

2、实验设备

硬件：PC 机、DE2-115 FPGA 实验开发平台；
软件：Quartus Prime 18.1、Platform Designer、Nios II SBT

3、实验内容

使用 FPGA 资源搭建一个简单 Nios II 处理器系统，具体包括：
(1) 在 Quartus Prime 中建立一个工程；
(2) 使用 PD 建立并生成一个简单的基于 Nios II 的硬件系统；
(3) 在 Quartus Prime 工程中编译基于 Nios II 的硬件系统并生成配置文件.sof；
(4) 在 Nios II SBT 中建立对应硬件系统的用户 C/C++工程，编写一简单用户程序，在
Nios II SBT 中编译程序生成可执行文件.elf；
(5) 将配置文件.sof 和可执行文件.elf 都下载到 FPGA 进行调试运行。

4、实验原理

控制 LED 灯闪烁的用户程序代码很小，可将其固化在片内 ROM 来执行。变量、堆栈
等空间使用片内 RAM，不使用任何片外存储器。整个系统的框图如图 1 所示。
从图 1.1 控制 LED 闪烁的系统框图可知，其它逻辑与 Nios II 系统一样可存在于 FPGA中。Nios II 系统可与其它片内逻辑相互作用，取决于整个系统的需要。为了简单起见，本实
验在 FPGA 内不包括其它逻辑。
在这里插入图片描述

5、实验步骤

第一步：硬件部分设计
1）建立新项目
New Project Wizard->Next->Next直到建立项目路径->选择芯片->Finish
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2）进行 Qsys 系统设计
（1）点击 Tools 下拉菜单下的 Platform Designer 工具，出现
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（2）启动 Platform Designer 后，点击 File-save.在文件名中填写为 kernel后点击 OK
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（3）鼠标放在 clk_0 处点击右键 Edit 或是双击 clk_0 元件，对 Clock 进行时钟设置，设为 50M
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（4）添加 CPU 和外围器件。从 PD 的元件池中选择以下元件加入到当前设计的系统中：
Nios II 32-bit CPU、jtag uart、片上存储器、PIO、system ID。
① 添加 Nios II 32-bit CPU
a. 在“component library”标签栏中找到“Nios II Processor”后点击 Add（在查找窗口输出 nios 即可）
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b. 在 Nios Core 栏中选择 Nios II/f 选项，其他保持默认选项
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c. 在”Caches and Memory Interfaces”标签栏中保持默认设置（Instruction Cache 选择 4Kbytes）。
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d. 在”Advanced Features”标签栏中保持默认设置
e. 在”MMU and MPU Settings”标签栏中保持默认设置
f. 在”JTAG Debug Module”标签栏中保持默认设置（注意勾选 Include JTAG Debug），
g. 点击 Finish 回到 PD 界面。
h. 将 nios2_qsys_0 重命名为 cpu，右击点击”Rename”即可重新命名
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i. 将 cpu 的 clk 和 reste_n 分别与系统时钟 clk_0 的 clk 和 clk_reset 相连(点击连接点）
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② 添加 jtag uart 接口。jtag uart 接口是 Nios II 嵌入式处理器新添加的接口元件，通过
内嵌在 Intel FPGA 内部的 JTAG 电路，可以实现在 PC 主机与 Qsys 系统之间进行串行字符
流通信。
a. 从下图左侧”Component Library”标签栏中的查找窗口输入 jtag 找到”JTAG UART ”，
然后点击 Add。
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b. 在 JTAG UART-jtag-uart_0 的设置向导中保持默认选项，点击 Finish。
c. 返回”System Contents”标签栏可以看到新加入的”JTAG UART”核。在”Name”列中将 jtag-uart_0 重命名为 jtag-uart。
d. 进行 clk、reset 以及 master-slave 的连线。
e. 进行中断 irq 连线。
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③ 添加片上存储器 On-Chip Memory(RAM)核
a. 从下图左侧”Component Library”标签栏中的查找窗口输入 On Chip 找到”On-Chip Memory(RAM or ROM)”后点击 Add。
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b. 在”Size”栏中的”Total memory size”窗口中输入 40960（即片上内存的大小为 40KB），其余选项保持默认，点击 Finish。
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c. 返回”System Contents”标签栏可以看到新加入的”On-Chip Memory”核。在”Name”
列中将 onchip_memory2_0 改名为 onchip_ram。
d. 进行时钟、数据端口、指令端口的连接，连接后如下图所示。
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④ 添加 PIO 接口
a. 从下图左侧”Component Library”标签栏中的查找窗口输入 pio 找到”PIO”后点击Add
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b. 确定以下选项：Width 为 8bits，Direction 选择 output，其余选项保持默认，点击Finish。
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c. 将pio_0 改名为 pio_led。并在在 Export 栏处双击，把输出口引出来，并命名为 out_led。
d. 进行时钟、数据端口、指令端口的连接，连接后如下图所示
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⑨添加片 System ID Peripheral 核，搜索栏输入 sys找到 【 System ID Peripheral”】后点击 Add，保持默认选项，单击 Finish，将 sysid_qsys_0 改名为 sysid，进行时钟、数据端口的连接
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4) 完成 Qsys 设计的后续工作
（1）基地址分配：点击 PD 主界面菜单栏中的”System”下的”Assign Base Addresses”。
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（2）分配中断号：在”IRQ”标签栏下点选”Avalon_jtag_slave”和 IRQ 的连接点就会为”jtag_uart”核添加一个值为 0 的中断号。
（3）指定 NIos II 的复位和异常地址：从”System Contents”标签栏双击建立好的 cpu 进入 Nios II Processor 的配置界面，配置 Reset Vector 和 Exception Vector 为””onchip_ram.s1”，点击 Finish。
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如果没有找到onchip_ram.s1是连线问题，少连接了一些线，完整连线如下
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点击System->Create Global Reset Network，完成后会自动连接所有复位端口
（5）生成 Qsys 系统：点选”Generation ”标签栏中 Generate HDL按钮生成 Qsys 系统。
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点击 Close 后关闭窗口后，再关闭 Platform Designer 主界面
（5）file->new ->Design Files->Block Diagram/Schematic File，
在原理图(BDF)文件中添加 PD 生成的系统符号，在空白处双击将已生成的 kernel（D:\interfpga\project\NIOSII_light\kernel 目录下）加入 top_level.bdf 中。

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点击 Assignments->Settings，添加 kernel.qip文件
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3）进行逻辑连接和生成管脚
在 kernel 模块内点击鼠标右键选取 Generate Pin for Symbol Ports 生成管脚。如下图所示：
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芯片引脚设置在这里插入图片描述

①菜单里选择 Assignments->device
点击 Device pin options
③进行 unused pin 设置，可能会收到外部信号的干扰，将未用引脚设置为 As input tri-stated，OK
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5）编译工程
回到 Quartus II 主界面后编译项目。如下图所示，编译成功后，点击 OK 完成。
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6）分配物理针脚
点击菜单栏快捷键进入 Pin Planner 界面
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再次编译项目，硬件设计完成
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二、基于NIOS-II软核流水灯实现(软件设计)

（一）打开 Nios II SBT for Eclipse

在 Quartus-II 界面，点击Tools->Nios II Software Build Tools for Eclipse

（二）启动 Workspace

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（三）创建工程

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选择 kernel.sopcinfo文件，以便将生成硬件配置信息和软件应用关联，CPU 栏会自动选择”CPU”。在Project name输入 helloWorld快速查找，选择 Hello World，Finish
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（四）修改程序

将 hello_world.c中的程序修改为流水灯控制程序
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#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
const alt_u8
led_data[8]={0x01,0x03,0x07,0x0F,0x1F,0x3F,0x7F,0xFF};
int main (void) {
	int count=0;
	alt_u8 led;
	volatile int i;
	while (1)
	{
		if (count==7)
		{count=0;}
		else
		{count++;}
		led=led_data[count];
		IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PIO_LED_BASE, led);
		i = 0;
		while (i<500000)
			i++;
	}
	return 0;
}

（五）编译工程

右键单击项目名称，选择 Build Project
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三、运行项目

硬件下载
（1） 连接 JTAG 到开发板，确定 A.已正确安装驱动。B. 防火墙不会影响到 JTAG 的正常工作。最后给开发板上电。
（2）启动 Quartus Prime Programmer。
NiosII->Quartus Prime …
（3）添加下载文件。然后点击 Start 开始下载，下载成过后关闭
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软件下载

右击文件名（HelloWorld）->Run As->Run Configurations
配置 Run Configurations(直接上面菜单栏中Run下面），转到”Target Connection”标签栏，点击右侧的 Refresh Connections 将 USB-Blaster 加入
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Apply 后，Run。见 Console 里打印信息“hello from Nios
II！”
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结果显示
开发板的 LED 灯循坏闪烁。

材料参考

https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115917160?spm=1001.2014.3001.5502

小结

通过此实验学会了Nios II 软核的搭建方法，掌握了 Nios II 软件的开发流程，软件的基本调式方法。