SOPC流水灯实验.doc

第1章 SOPC流水灯实验实验步骤如下：1.1 实验目的熟悉使用QuartusII软件；熟悉使用SOPC Builder建立自己的Nios2系统；熟悉使用Nios II IDE软件进行编程、调试和下载程序。1.2 实验设备硬件：PC机 一台MagicSOPC教学实验开发平台 一套软件：Quartus II7.0、Nios II IDE 7.01.3 实验内容本实验的内容是使用QuartusII中的SOPC Builder建立一个NiosII系统，并使用NiosII IDE编写C程序，在NiosII IDE中下载程序、调试程序。1.4 实验预习要求预习SOPC嵌入式系统实验教程二第3章3.3节，熟悉建立带DDR SDRAM的NiosII系统；熟悉PIO外设的使用。1.5 实验步骤1.5.1 使用Quartus II建立工程仿照Quartus II7.0软件使用的实验，建立一个Nios2_system的工程，并使工程名与实体名相同。1.5.2 建立Nios II 系统硬件(1) 在Quartus II主界面中选择FileNew打开新建文件对话框，如图1.1所示，在对话框中选择Block Diagram/Schematic File，单击OK建立一个空的顶层原理图设计文件。图1.1 新建文件对话框(2) 在Quartus II主界面中选择ToolsSOPC Builder打开如图1.2所示的对话框，在System Name一栏中填入Nios II 系统的名称nios2_ep2c35，然后单击OK进入到如图1.3所示的SOPC Builder的主界面。图1.2 Create New System对话框图1.3 SOPC Builder的主界面(3) 双击SOPC Builder主界面左侧中的“Nios II ProcessorAltera Corporation”，出现Nios II CPU的配置向导对话框，如图1.4所示，在这果可以有三种Nios II CPU选择，我们选择快速型的Nios II/f，然后单击Next进入下一步配置。图1.4Nios II CPU配置向导(4) 在Instruction Cache项中选择2 Kbytes，在Data Cache项中选择1 Kbytes，如图1.5所示，然后单击Next。图1.5 Caches&Tightly Coupled Memories选项卡(5) 在Advanced Features选项卡中，选择默认参数然后单击Next，到了JTAG Debug Module选项卡，如图1.6所示。这里是选择JTAG调试接口，选择默认的模式Level 1，然后单击Next，到了Custom Instruction 选项卡，也选择默认参数，最后单击Finish完成对Nios II CPU的配置。图1.6 JTAG Debug Module选项卡(6) 添加了Nios II CPU内核后，SOPC Builder在标签处增加了标题为Nios II More “CPU”Settings的附加选项卜，SOPC Builder界面如图1.7所示，选中Module Name下的cpu_0，单击鼠标右键，在Rename项中可以重命名cpu_0的名称为cpu，并在Clock一栏中将50MHz频率改为75MHz。(7) 双击在SOPC Builder主界面左侧中的MemoryDDR SDRAM Controller MegaCoreAltera Corporation，出现DDR SDRAM的配置向导对话框，如图1.8所示。图1.7 添加Nios II核后的窗口图1.8 DDR SDRAM配置对话框(8) 在图1.8的对话框中单击“Step1 Parameterize”按钮，进入如图1.9所示的DDR SDRAM参数设置对话框。 (9) 选中Advanced Mode选项，进入高级参数配置对话框，在Memory选项卡中选择Column address bits一项为9，其它参数默认，如图1.10所示。 图1.9 SDRAM 参数配置对话框1图1.10 SDRAM配置参数对话框2(10) 在Project Settings选项卡中，有一栏名为“Device Pin Prefixes and Names”中的三项内容最好不要修改，选择默认设置，这些名称与QuartusII 顶层原理图设计的引脚名称有关，如图1.11所示。其它的选项卡的参数选择默认参数，最后单击Finish按钮退出第一步设置。(11) 在图1.8的对话框中单击“Step2 Constraints”按钮，进入如图1.12所示的DDR SDRAM参数设置对话框，在该对话框中选择2R为1，0R为0，然后单击OK退出第二步的设置。(12) 在图1.8的对话框中单击“Step3 Add/Updat Component”按钮，这时完成对DDR SDRAM的配置，此时在SOPC Builder中多一个项ddr_sdram_0，修改名称为ddr_sdram。图1.11 SDRAM参数配置对话框3 图1.12 SRAM Constraints配置对话框(13) 双击在SOPC Builder主界面左侧中的OtherPIO(Parallel I/O)，出现PIO外设配置的对话框，在Wide一栏中选择8bit，在Direction一栏中选择Output ports only，如图1.13所示，最后单击Finish完成对PIO的设置，此时在SOPC Builder中出现pio_0的外设，修改该名称为LED_PIO。(14) 双击在SOPC Builder主界面左侧中的OtherSystem ID Peripheral，直接在SOPC Builder中加入一名为sysid的外设。(15) 在SOPC Builder的Target栏中Board项中选择MagicSopc_board_2c35目标板,如图1.14所示。单击SOPC Builder菜单的systemAuto-Assign Base Address，进行自动分配地址，单击SOPC Builder菜单的systemAuto-Assign IRQs，进行自动分配中断号。图1.13 PIO配置对话框图1.14 SOPC Builder中的外设配置(16) 在SOPC Builder的Board Settings选项卡中选择Target Device一栏，单击选择“Assign in Quartus II Project”,这是为每一个外设分配到目标板上，如图1.15所示。(17) 在SOPC Builder的Nios II MoreCPUSettings选项卡中，在Reset Address一栏中选择ddr_sdram，在Exception Address一栏中选择ddr_sdram，如图1.16所示。图1.15 Board Settings选项卡图1.16 Nios II MoreCPUSettings对话框(18) 在SOPC Builder的System Generation选项卡中，去除Simulation的选项，然后单击Generate按钮编译系统，编译完后按Exit退出。到现在，已经配置好了一个Nios II CPU的最小系统。 图1.17 Nios II系统的生成1.5.3 使用Quartus II工程设计SOPC系统(1) 在Quartus II工程的原理图文件中双击原理图的空白位置，出现如图1.18所示的对话框，单击OK加入到工程文件中。图1.18 添加NiosII CPU(2) 在Quartus II主界面中选择ToolsMegaWizard Plug-In Manager，出现如图1.19所示的对话框，单击Next，进行下一步配置。图1.19 MegaWizard Plug-In Manager 对话框1(3) 在I/O选项中单击ALTPLL，在“what name do you want for the output file ”中给ALTPLL命名为PLL，单击Next，进行下一步的设置。图1.20 MegaWizard Plug-In Manager 对话框2(4) 在“what is the frequency of the inclock0 input”一栏中设置输入的频率为50MHz，单击Next，进行下一步的设置。(5) 在“Optional inputs ”一栏中取消“Create an areset input to asynchronously reset the PLL”的选项，如图1.22所示，单击Next，进行下一步的设置。图1.21 MegaWizard Plug-In Manager 对话框3图1.22 MegaWizard Plug-In Manager 对话框4(6) 选择默认参数，单击Next，进行下一步设置。在Clock Tap Settings一栏中选择“Enter output clock frequency”，将c0时钟输出为75MHz，单击Next，进行下一步的设置。(7) 在Clock Tap Settings一栏中选择“Enter output clock frequency”，将c1时钟输出为75MHz，在clock phase shift，一项中选择270 deg，单击Next，进行下一步的设置。(8) 以后的每一项设置都选择为默认参数，最单击Finish完成创建PLL。图1.23 MegaWizard Plug-In Manager 对话框5图1.24 MegaWizard Plug-In Manager 对话框6(9) 在Quartus II工程的原理图文件中双击原理图的空白位置，出现如图1.25所示的对话框，单击OK把PLL加入到工程文件中。(10) 保存原理图文件，重新创建一个空白的原理图文件，参考图1.1，然后单击在Quartus II主界面中选择ToolsMegaWizard Plug-In Manager，出现对话框，单击Next，到下一步，然后在单击左侧的ArithmeticLPM_COUNTER，给计数器命名为count，如图1.26所示，然后单击Next到下一步。图1.25 添加PLL模块图1.26 MegaWizard Plug-In Manager 对话框1(11) 在“How wide should the q output bus be?”一栏中选择10bit，如图1.27所示，然后下一步。(12) 在“Do you want any optional additional ports ”一栏中选择“Count Enable”，“Carry-out”，如图1.28所示，然后单击Next，进行下一步配置。图1.27 MegaWizard Plug-In Manager 对话框2图1.28 MegaWizard Plug-In Manager 对话框3(13) 在“Asynchronous inputs”一栏中选择clear选项，如图1.29所示，然后单击Next，进行下一步配置，以后的配置都选择默认参数，直到单击Finish完成配置。(14) 在Quartus II工程新建的原理图文件中双击原理图的空白位置，加入count模块，然后再双击原理图的空白位置，添加逻辑门电路元件，如图1.30所示。(15) 在原理图上添加输入输出引脚，如图1.31所示，最后的原理图电路如图1.32所示。图1.29 MegaWizard Plug-In Manager 对话框4图1.30 添加逻辑门电路模块图1.31 添加输入输出引脚图1.32 复位延时模块电路(16) 保存新建的电路名称为reset_delay模块，然后在Quartus II主界面中选择FileCreate/UpdateCreate Symbol Files for Current File，单击“确定”后把原理图转换为一个模块。(17) 回到名为nios2_system的原理图设计文件中，添加reset_delay模块，如图1.33所示，最后完整的Nios2系统原理图如图1.34所示，然后保存原理图文件。图1.33 添加reset_delay模块图1.34 Nios2系统整体原理图1.5.4 Quartus II工程的设置（1） 在Quartus II主界面中选择AssignmentsDevice打开如图1.35所示的对话框。图1.35 Device选项设置对话框（2） 在图1.35中单击Device&Pin Options 选项，进入如图1.36所示的对话框，在对话框中选择Unused Pins选择卡，在Reserve all unused pins选择项中选择As input tri-stated选项。 图1.36 未用引脚设置（3） 在对话框中选择Configuration选项卡，在configuration device选择中选择EPCS16，如图1.37所示。图1.37 Configuration设置（4） 在Quartus II主界面中，选择FileNew打开如图1.38所示的对话框，单击“OK”，新建了一个脚本约束文件。图1.38 新建Tcl Script文件（5） 在空白的文件中输入如程序清单 1.1所示的代码，然后保存名为Setup文件。程序清单 1.1 Setup的脚本约束文件代码#Setup.tcl#Setup pin settingset_location_assignment PIN_B13 -to clkset_location_assignment PIN_AC13 -to reset_nset_location_assignment PIN_R5 -to ledout0set_location_assignment PIN_P9 -to ledout1set_location_assignment PIN_P7 -to ledout2set_location_assignment PIN_P6 -to ledout3set_location_assignment PIN_P3 -to ledout4set_location_assignment PIN_R8 -to ledout5set_location_assignment PIN_R6 -to ledout6set_location_assignment PIN_T3 -to ledout7set_location_assignment PIN_F21 -to clk_to_sdram0set_location_assignment PIN_F20 -to clk_to_sdram_n0set_location_assignment PIN_E24 -to ddr_a0set_location_assignment PIN_C25 -to ddr_a1set_location_assignment PIN_J25 -to ddr_a2set_location_assignment PIN_G26 -to ddr_a3set_location_assignment PIN_F24 -to ddr_a4set_location_assignment PIN_G23 -to ddr_a5set_location_assignment PIN_F25 -to ddr_a6set_location_assignment PIN_F26 -to ddr_a7set_location_assignment PIN_H19 -to ddr_a8set_location_assignment PIN_K18 -to ddr_a9set_location_assignment PIN_F23 -to ddr_a10set_location_assignment PIN_G22 -to ddr_a11set_location_assignment PIN_D23 -to ddr_ba0set_location_assignment PIN_C24 -to ddr_ba1set_location_assignment PIN_E25 -to ddr_cas_n0set_location_assignment PIN_D25 -to ddr_cke0set_location_assignment PIN_E23 -to ddr_cs_n0set_location_assignment PIN_M25 -to ddr_dm0set_location_assignment PIN_K24 -to ddr_dm1set_location_assignment PIN_N20 -to ddr_dq0set_location_assignment PIN_M20 -to ddr_dq1set_location_assignment PIN_M19 -to ddr_dq2set_location_assignment PIN_M23 -to ddr_dq3set_location_assignment PIN_M22 -to ddr_dq4set_location_assignment PIN_K26 -to ddr_dq5set_location_assignment PIN_K25 -to ddr_dq6set_location_assignment PIN_L19 -to ddr_dq7set_location_assignment PIN_K21 -to ddr_dq8set_location_assignment PIN_K19 -to ddr_dq9set_location_assignment PIN_H26 -to ddr_dq10set_location_assignment PIN_H25 -to ddr_dq11set_location_assignment PIN_J24 -to ddr_dq12set_location_assignment PIN_J23 -to ddr_dq13set_location_assignment PIN_H24 -to ddr_dq14set_location_assignment PIN_H23 -to ddr_dq15set_location_assignment PIN_N23 -to ddr_dqs0set_location_assignment PIN_G25 -to ddr_dqs1set_location_assignment PIN_D26 -to ddr_ras_n0set_location_assignment PIN_E26 -to ddr_we_n0（6） 在Quartus II主界面中，选择ToolsTcl Scripts打开如图1.39所示的对话框，选择ProjectSetup，然后单击“Run”按钮，运行脚本文件。（7） 在Quartus II主界面中，选择AssignmentsAssignment Editor打开如图1.40所示的对话框，在这里可以看到，所用的引脚都已经分配好了。图1.39 Tcl Scripts对话框图1.40 引脚分配表1.5.5 QuartusII工程的编译单击QuartusII工程中编译按钮，编译整个工程，编译后得到编译报告。1.5.6 使用QuartusII软件下载程序查看QuartusII7.0的实验。1.6 Nios II IDE的基本使用(1) 双击桌面上Nios II IDE的图标，启动Nios II IDE软件，启动后的界面如图1.41所示。图1.41 Nios II IDE启动后界面(2) 在Nios II IDE的工程中选择FileNewNios II C/C+ Application，新建一个C/C+工程文件，在Name一项中填入工程名，在这里我们命名为led_flow，在SOPC Builder System一项里，我们选择QuartusII工程目录下的nios2_ep2c32，如图1.42所示，然后单击Next，进行下一步配置。图1.42 新建工程对话框配置1(3) 由于我们这里是新创建一个系统库，所示选择“Create a new system library named”一项，最后单击“Finish”，完成工程配置选项。图1.43 新建工程对话框配置2(4) 创建工程后，工程的C文件为hello_world.c的模版，在这里，我们将自己的应用程序把hello_world的原程序覆盖掉，并在左侧的led_flow工程中选中hello_world.c的文件，单击鼠标的右键选择Rename一项，把名字改为led_flow.c。图1.44 Nios II IDE创建工程后界面(5) 选中Nios II IDE工程右侧的led_flow工程，单击鼠标的右键，选择“System Library Properties”一项，配置系统的参数，在这里，我们选择默认参数，如图1.45所示。图1.45 系统配置设置(6) 选中Nios II IDE工程右侧的led_flow工程，单击鼠标的右键，选择“Build Project”一项，开始编译工程，在工程下面的Console选项卡中查看编译信息。(7) 选中Nios II IDE工程右侧的led_flow工程，单击鼠标的右键，选择Run AsNios II Hardware，开始下载程序到FPGA，等待下载完毕后，在实验箱上可以看到流水灯现像。(8) 选中Nios II IDE工程右侧的led_flow工程，单击鼠标的右键，选择Debuf AsNios II Hardware，开始进入调试仿真状态，如图1.46所示。在delayMs(500)一行中加入断点，然后按F6可以单步运行，按F8可以运行到断点，可以跟踪程序的运行情况。在Debug窗口中，在右上角选中Debug，然