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【Nios II】以SOPC开发流程完成流水灯以及串口输出实验

时间：2021-12-09 17:56:20

一、前言

实验内容及步骤

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。

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。

二、实验过程记录

2.1 设计硬件

1、新建项目

创建了一个名为helloworld的项目

2、Qsys系统设计

打开Qsys设计界面，点击【File】→【Save】保存文件

点击edit，并时钟设为 50M Hz。

添加 Nios II 32-bit CPU，在搜索框输入nios

右击添加的 Nios II 32-bit CPU 元件，点击【Rename】，重命名为【cpu】

cpu 的 clk 和 reset_n 分别与系统时钟 clk_0 的 clk 和 clk_reset 相连

同样的方法添加 jtag uart 接口

重命名为【jtag_uart】

进行 clk、reset、avalon_jtag_slave 的连线，以及中断 irq 连线，中断号设为 0。

同样的方法添加片上存储器 On-Chip Memory（RAM）核

配置窗口内，设置内存为 40960（40 KB）

重命名为onchip_ram并连接 clk1、s1、reset1

同样的方法添加 PIO 接口

确定 Width 为 8 bits，Direction 选择 output

重命名为 pio_led并引出管脚：双击 Export 列的 external_connection ，命名为 out_led

同样的方法添加片 System ID Peripheral 核。

重命名为 sysid 再连接 clk、reset、control_slave

整体如下图所示：

3、配置Qsys系统

完成基地址分配

点击【System】→【Assign Base Addresses】

【Base】一列不再出现重复的具体的地址

指定 Nios II 的复位和异常地址。

双击 cpu 配置属性，在【Core Nios II】栏

配置 Reset Vector 和 Exception Vector 为【onchip_ram.s1】

使用 FPGA 资源。

点击【Generate】

如果提示是否保存 .qsys 文件，选择保存。

点击【Generate】，再点击【Save】

generate成功

4、设计原理图

关闭Qsys页面

新建原理图文件

点击元件按钮，搜索刚创建的元件，放置在原理图上

加入 Quartus II IP File 文件。

点击【Assignments】→【Settings】

选择 kernel.qip 文件

点击【Add】

右击 kernel 模块，点击【Generate Pin for Symbol Ports】生成管脚

双击管脚名进行重命名

芯片引脚设置。

点击【Assignments】→【Device】

点击【Device Pin Options】（如图所示）

将未用的引脚设置为【As input tri-stated】

将特殊引脚设置为常规引脚【Use as regular I/O】，最后点击【OK】

此时保存原理图文件

5、配置物理针脚

首先编译原理图文件

点击【Pin Planner】快捷键

如图所示配置物理针脚

2.2 软件设计

点击【Tools】→【Nios II Software Build Tools for Eclipse】

进入eclipse后，新建工程

如图所示

选择 kernel.sopcinfo 文件，再输入工程名，选择 Hello World

打开 hello_world.c 文件，修改为如下代码：

#include <stdio.h>#include "system.h"#include "altera_avalon_pio_regs.h"#include "alt_types.h"const alt_u8led_data[8]={0x01,0x03,0x07,0x0F,0x1F,0x3F,0x7F,0xFF};int main (void) {int count=0;alt_u8 led;volatile int i;//串口打印printf("Hello world!\n");//流水灯循环while (1){if (count==7){count=0;}else{count++;}led=led_data[count];IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PIO_LED_BASE, led);//延时的设置i = 0;while (i<5000000)i++;}return 0;}

右击工程名，点击【Build Project】编译

编译完成