基于EDA的流水灯实验.doc

万年历的设计一、实验目标 1. 巩固对基本的开发流程的掌握2. 复习对QUARTUS II软件的使用3. 复习NIOS II软件的使用4在训练掌握相关软件使用的基础上，完成课题的设计二、设计要求用Nios II DE2开发楹的LCD（或8个七段数码管）显示电子钏的日期和时间。LCD分两行显示，第1行显示年、月和日（例如显示：20080101）；第2行显示时、分和秒（例如显示：00152545）。用输入按钮BUTTON0来控制LCD行修改，同时让Nios II DE2开发板上的绿色发光二极管LDG3的亮与灭来表示这个选择。当BUTTON0按下一次后，LDG3亮，可以修改年、月和日的数字；再按一次BUTTON0后，LDG3灭，可以修改时、分和秒的数字。另外和输入按钮BUTTON3来控制日期和时间的修改，当处于日期修改方式时，每按动一次BUTTON3按钮，依次更换“年”、“月”和“日”的修改。当处于时间修改方式时，每按动一次BUTTON3按钮，依次更换“时”、“分”和“秒”的修改。修改对象被选中后，按动BUTTON2输入按钮可以增加显示的数字；按动BUTTON1输入按钮可以减少显示的数字。三、实验原理与步骤 在QUARTUS II 中建立工程 用SOPC BUILDER建立NIOS系统模块 在QUARTUS II 中的图形编辑界面中进行管脚连接、锁定工作 编译工程后下载到FPGA中 在NIOS II IDE中根据硬件建立软件工程 编译后，经过简单设置下载到FPGA中进行调试、验证下面根据以上的步骤进行进行一次全程开发：第一步：硬件部分设计1. 在自己的文件目录下建立一个hello_led文件夹，注意目录中不能有空格或中文；2. 打开QUARTUS II,点击FILE菜单下的New Project Wizard会弹出如图2-1所示的对话框：图2-1 建立工程3. 然后输入工程存放目录，或点击工程路径右面的按钮设置工程存放目录，在第二栏中输入工程名称，我们这里输入为led；之后点击Finish，对话框消失，此时已经建立好了LED工程文件；4. 点击Assignment菜单中的Device，选择芯片为Cyclone II系列的EP2C35F672C6，如下图2-2所示：图2-2 选择器件5. 确认后。点击Tools下拉菜单下的SOPC Builder工具，出现如图2-3所示对话框：图2-3 设定名称6. 在系统名称（System Name）填写为nios_led，选择语言后点击OK，在Device Family中选择所要使用芯片的系列，我们所用的Cyclone II，系统频率设为50MHz，在Board中暂时先不做选择，使用Unspecified Board；如下图2-4所示：图2-4 设定芯片及系统时钟7. 在左边元件池中选择元件：我们这个设计工程需要使用NIOS 32BIT CPU、调试串口、ledPIO、RAM，首先选择如下图2-5所示的Nios processor，这个是NIOS处理器，双击会弹出如图2-6所示对话框：图2-5 选择NIOS II图2-6 NIOS II设置在JTAG Debug Module栏中选择Level 1，点击Finish按钮后返回SOPC Builder窗口，将CPU_0重新命名为CPU，如下图2-7所示：图2-7 重命名CPU注意：对模块命名要遵循如下规则： 名字最前面应该使用英文； 能使用的字符只有英文字母、数字和“_”； 不能连续使用“_”符号，在名字的最后也不能使用“_”。8. 添加JTAG UART Interface：此接口为NIOS II系统嵌入式处理器新添加的接口元件，通过它可以在PC主机和SOPC Builder系统之间进行串行字符流通讯，主要用来调试、下载数据等，也可作为标准输出、输入来使用； 选择Communication - JTAG UART加入，会出现设置向导，如图2-8所示：图2-8 加入JTAG UART 保持默认选项，单击Finish，返回SOPC Builder窗口。 将jtag_uart_0重新命名为jtag_uart。9. 添加内部RAM：RAM为程序运行空间，类似于电脑的内存，此空间越大越有利；在EP2C35F672C6这个元件中建议使用4Kbytes； 选择Memory - On-Chip Memory，双击加入，会出现如下图2-9所示设置向导：图3-9 设置内部RAM作为系统内存 设置后如上图所示，点击Finish，返回到SOPC Builder窗口，重新命名为RAM；10. 加入led_PIO：此元件为I/O口，和单片机中的I/O口类似，用户可以根据需要配置选项； 选择Other-PIO，双击加入，会出现如下图2-10所示设置向导：图2-10 加入LED_PIO 将Widths位宽改为4 bits； 选择Output ports noly，点击Finish，重新命名为led_pio。11. 指定基地址和分配中断号：SOPC Builder会给用户的NIOS II系统模块分配默认的基地址，用户也可以更改这些默认地址； 选择System下拉菜单中的Auto-Assign Base Address； 选择System下拉菜单中的Auto-Assign IRQs；12. 系统设置：选择More “CPU” Settings，按照下图2-11所示对系统进行设置：图2-11 设置系统运行空间13. 生成系统模块： 选择System Generation栏，如图2-12所示： 在System Generation中选中HDL选项，如果安装了Modelsim软件并需要仿真设计，可以选择Simulation选项。图2-12 生成CPU 点击Generation，SOPC Builder根据用户设定不同，而在生成过程中所执行的操作不同，在系统生成后点击“Exit”退出SOPC Builder。14. 将刚才生成的模块以图标形式添加到BDF文件中：在SOPC Builder生成的过程中，会生成系统模块的图标（Symbol），可以将该图标像其它QUARTUS II图标一样添加到当前项目的BDF文件中。步骤如下： 单击File- New，弹出如下图2-13所示的对话框：图2-13 加入原理图输入文件 选择Block Diagram/Schematic File，如上图所示，点击OK； 在图中单击右键，选择Insert- Symbol，如下图2-14所示：图2-14 加入系统顶层文件 在如下图2-15所示的弹出对话框中选择Project-nios_led，双击加入；图2-15 加入生成的NIOS II 32BIT CPU模块点击保存，系统会自动命名为led，不要对此文件名再作更改； 将模块与输入输出接口相连，连接后如下图2-16所示：图2-16 顶层文件图 锁定管脚：新建引脚锁定命令文件，File-New - Other Files - Tcl Script File，如下图2-17所示：图2-17 新建引脚锁定命令文件文件的格式和内容如下：#Setup.tcl#Setup pin settingset_global_assignment -name RESERVE_ALL_UNUSED_PINS AS INPUT TRI-STATEDset_global_assignment -name ENABLE_INIT_DONE_OUTPUT OFFset_location_assignment PIN_N2 -to clkset_location_assignment PIN_G26 -to rstset_location_assignment PIN_AE23 -to led3set_location_assignment PIN_AF23 -to led2set_location_assignment PIN_AB21 -to led1set_location_assignment PIN_AC22 -to led0set_location_assignment PIN_W26 -to KEY1set_location_assignment PIN_P23 -to KEY0写好之后，点击保存按钮。假如保存的文件名为Tcl_script1.tcl，需要放到当前的工程目录下。如图2-18所示：图2-18 添加引脚锁定命令文件到工程目录然后选择Tools - Tcl Scripts,会弹出如图2-19所示的对话框，选择Tcl_script1.tcl，然后点击RUN，管脚约束与锁定就会自动加入了。图2-19 运行TCL脚本文件对管脚进行锁定 编译工程：选择Process-Start Compilation命令对工程进行编译；15. 配置FPGA：接上实验板电源、连上USB下载线，将编译生成的SOF文件下载到目标板上，选择Tools- Programmer目标文件夹下载，选择USB-Blaster模式，通过JTAG口对FPGA进行配置，如图2-20所示：图2-20 下载配置文件第二步：软件部分设计1. 打开NIOS II IDE，会弹出工作环境路径选择，点击右边的Browse按钮选择自己的工程所在的文件夹，如图2-21所示：图2-21 工作环境路径选择2. 选择菜单File - New - Project，会弹出如下图2-22所示对话框：图2-22 添加新工程3. 选择C/C+ Application，如上图所示，点击Next，会弹出图2-23所示对话框：图2-23 选择现有工程实例4. 在Select Project Template中选择Hello LED；在SOPC Builder System中选择我们刚才建立好的工程，CPU栏会自动选择，如上图所示，点击Finish，系统会自动生成一个循环点亮LED的软件工程。代码如下：#include system.h#include altera_avalon_pio_regs.h#include alt_types.hint main (void) _attribute_ (weak, alias (alt_main);int alt_main (void) alt_u8 led = 0x2; alt_u8 dir = 0; volatile int i; while (1) if (led & 0x81) dir = (dir 0x1); if (dir) led = led 1; else led = led 1; IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE, led); i = 0; while (i RUN，系统会自动探测到JTAG连接电缆，并弹出如下图2-25所示对话框：图2-25(a) 自动探测电缆如果在Configurations栏中的Nios II Hardware前面没有“+”号（如图2-25(a)所示），就用鼠标左键双击Nios II Hardware进行电缆自动探测；成功后如下图2-25(b)所示：图2-25(b) 自动探测电缆7. 在Main列表中的Project中选择我们刚才建立的工程hello_led_0，在Target Connection中选择所要使用的电缆，如本实验板使用的USB-Blaster，如下图2-26所示：图2-26 选择电缆、设置通讯接口8. 其它部分使用默认选项，点击RUN后，目标板上的灯就会出现逐个点亮的状态。9. 如何要使用Debug进行单步、断点等调试，选择RUN - Debug，其它步骤类似于上面的RUN - RUN操作过程。四、实验总结与思考1. 如何实现LED灯逐个熄灭的控制程序？请自己更改程序进行尝试。2. 函数IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE, led)如何使用你是否能够理解？实验三 按键控制指示灯实验一、实验目标 1. 掌握基本的开发流程2. 熟练掌握QUARTUS II软件的使用3. 进一步熟悉NIOS II软件的使用4. 熟悉基本I/O口的软件编程方法二、实验内容使用2个按键作为输入，4位LED灯作为输出。按下1号键4个LED正向循环点亮；按下2号键4个LED反向循环点亮；无键按下时，第1、3个LED点亮，第2、4个LED熄灭；两个键同时按下时，4个LED全部点亮。三、实验原理与步骤1. 具体实验步骤请参考“实验二 流水灯实验”。 与“流水灯实验”的不同之处在于： 在SOPC Builder中生成CPU时，需要加入两位仅为输入的key_pio接口，如图3-1所示： 图3-1 加入key_pio接口 生成的顶层原理图如图3-2所示。引脚锁定的文件的编写请参考实验二，注意要加入两个按键接口的引脚锁定。图3-2 顶层原理图2. NIOS II软件程序还是采用Hello LED模块，并对其中的程序进行修改，加入对输入按键的检测与判读等操作。示例代码如下：#include system.h#include altera_avalon_pio_regs.h#include alt_types.hint main (void) _attribute_ (weak, alias (alt_main);int alt_main (void) alt_u8 led = 0x2; alt_u8 dir = 0; alt_u8 keydat = 0x03; volatile int i; while (1) keydat = IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_PIO_BASE); if(keydat & 0x03) = 0x01) dir = 1; else if(keydat & 0x03) = 0x02) dir = 0; else dir =2; if (dir = 1) led = led 1; if(led = 0x00) led = 0x80; else if(dir = 0) led = led 1; if(led = 0x00) led = 0x01; else led = 0x05; IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE, led); i = 0; while (i File，准备建立一个新的C语言源文件，方法如图4-4 所示。 图4-4 建立新的源文件4. 然后编写软件代码如下：#include alt_types.h#include #include system.h#include sys/alt_irq.h#include altera_avalon_pio_regs.h#include #include volatile int edge_capture;alt_u8 flag;static void handle_key_interrupt(void* context, alt_u32 id) /* Cast context to edge_captures type. It is important that this be declared volatile to avoid unwanted compiler optimization. */ /* 将edge_capture与*context对应起来 */ /* 设置为volatile 是为了避免下面的指令被编译器给优化掉 */ volatile int* edge_capture_ptr = (volatile int*)context; /* Store the value in the Buttons edge capture register in *context. */* 读取按键中断边沿捕捉寄存器中的值 - *context (这里就等于*edge_capture_ptr) */ *edge_capture_ptr = IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_PIO_BASE); /* Reset the Buttons edge capture register. */ /* 清0 边沿捕捉寄存器中的值 */ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_PIO_BASE, 0); flag = 1; /中断产生标志置1static void init_key_pio() /* Recast the edge_capture pointer to match the alt_irq_register() function prototype. */* 准备将寄存器 edge_capture作为中断注册函数alt_irq_register的一个输入参数*/ void* edge_capture_ptr = (void*)&edge_capture; /* Enable all 4 button interrupts. */ /* 使能4个按键的中断 */ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(KEY_PIO_BASE, 0xf); /* Reset the edge capture register. */ /* 清0 边沿捕捉寄存器中的值 */ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_PIO_BASE, 0x0); /* Register the interrupt handler. */ /* 对中断函数进行注册 */ alt_irq_register(KEY_PIO_IRQ,edge_capture_ptr,handle_key_interrupt);int main (void) _attribute_ (weak, alias (alt_main);int alt_main(void) alt_u8 led = 0x0; flag = 0; alt_irq_init(ALT_IRQ_BASE); /使能中断 (很重要,相对于总的中断开关) init_key_pio(); while(1) if(flag) flag = 0; switch(edge_capture) case 0x01: led = led 0x01; break; case 0x02: led = led 0x02; break; case 0x04: led = led 0x04; break; case 0x08: led = led 0x08; break; default: led = 0x0f; /将led的值写入到led对应的硬件寄存器(LED_PIO_BASE)中 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE, led); return 0;注：下面的函数不容易理解因为它们与硬件有很大的相关性：IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(KEY_PIO_BASE, 0xf);IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_PIO_BASE, 0x0);IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_PIO_BASE);IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE, led);alt_irq_reg