基于FPGA软核，定制你的SoC

电子工程师 2019-04-22 2427

嵌入式技术

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描述

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

FPGA

Click the Next button.

FPGA

Click Next.

FPGA

选择与开发板对应的FPGA芯片。Click Next

FPGA

Click Next.

FPGA

最后Finish. 如下图：

FPGA

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

FPGA

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

FPGA

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.

FPGA

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)

FPGA

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

FPGA

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

FPGA

接下来要添加一个PIO模块(Parallel I/O)

FPGA

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：

FPGA

重命名系统内组件。

FPGA

双击cpu并设置内存

FPGA

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

FPGA

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:

FPGA

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

FPGA

在丁板上双击左键：

FPGA

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

FPGA

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

FPGA

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。

FPGA

右击选Device

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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NiosII 12.0 Software Build Tools for Eclipse
新建一个测试程序：

FPGA

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

typedefstruct
{
   unsignedlongintDATA;
   unsignedlongintDIRECTION;
   unsignedlongintINTERRUPT_MASK;
   unsignedlongintEDGE_CAPTURE;
}PIO_STR;

#ifdef_LED
#defineLED ((PIO_STR*)PIO_LED_BASE)
#endif

intmain()
{
   inti;

   while(1)
    {
      for(i=0;i<3;i++){
           LED->DATA = 1<

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