SOPC综合实验报告.doc

综合实验 NiosII数字钟设计单 位：信息工程学院 班 级：07级7班学 号：1071000253姓 名：康宇晨指导老师：邱德惠首 都 师 范 大 学2010年5月一、 设计概述用Nios II DE2开发板的LCD显示电子钟的日期和时间，LCD分两行显示，第一行显示年月日，第二行显示时分秒。用输入按钮BUTTON来控制LCD行修改，通过Nios II IDE进行软件设计。二、 设计要求 1掌握Nios II系统的设计和使用方法； 2学习通过Nios II IDE进行软件设计的方法； 3实现在液晶屏上显示时间和日期，并可以对其进行设置。三、 实验环境DE2 开发板QuartusII 7.2SOPC Builder 7.2NiosII IDE 7.2四、 设计方案（总体设计、软件设计、硬件设计）1. 总体设计要实现以下两个功能：(1). 在液晶屏上显示时间，日期(2). 对时间、日期能够进行设置建立新工程clock2. 硬件系统组成设计根据系统要实现的功能和开发板配置，需要用到的DE2开发板上的外围器件有：LCD：电子钟显示屏幕按钮：电子钟设置功能键CFI Flash存储器：存储软、硬件程序SDRAM存储器：程序运行时将其导入SDRAM根据所用到的外设和器件特性，在SOPC Builder中建立系统要添加的模块包括：NiosII CPU定时器，按键PIO，LCD， 外部存储器总线（Avalon三态桥），外部SDRAM控制器，外部Flash接口。打开SOPC Buider，系统名称为sopc_clock加入SDRAM组件加入Flash Memory 组件加入外部存储器总线（Avalon三态桥）加入按键PIO加入LCD加入NiosII CPU定时器，选择标准型的元件添加完后，要为每个外设分配及地址和中断请求优先级(IRQ)，在System中选择Auto-Assign Base Address和Auto-Assign IRQs命令，这两个命令可分别简单分配外设基地址和中断优先级。然后生成Nios II系统。然后生成顶层文件，将Nios II系统模块加入到顶层文件中，如图所示原理图进行引脚锁定，并编译，然后进行硬件下载3软件系统设计要实现系统所需的功能，大量的工作应该集中在软件设计和优化上。电子钟的软件功能主要分为显示、设置和时间算法三大部分。显示部分的功能包括：显示时间（小时：分钟：秒）和 显示日期（年-月-日）设置部分的功能包括：设置小时，设置分钟，设置年份，设置月份，设置日期和退出设置。 设置部分的程序主要用在对按键的响应。在编写程序前要对DE2开发板上的四个按键BUTTON功能进行如下分配：(1). 主菜单 BUTTON0：设置选择键，可依次选择设置时、分、秒和年、月、日BUTTON1：显示日期键BUTTON2：显示时间键(2). 子菜单（即进入对某个选项设置后的按键功能）：BUTTON1：选项数字增加BUTTON2：选项数字减少BUTTON3：退出对选项的设置，返回主菜单时间算法部分的功能包括：时间累加和确定每个月的最大天数，使年、月、日能正确累加五、 软件代码1count_binary.c的代码：#include count_binary.h/程序每秒钟检测一次按钮的状态，对日期和时间进行设置#include alt_types.h#include #include #include #include system.h#include sys/alt_irq.h#include altera_avalon_pio_regs.h#include lcd.hvolatile int edge_capture;void LCD_Init()/LCD初始化 lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x38); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x0C); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x01); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x06); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x80); usleep(2000);void LCD_Show_Text(char* Text)/LCD输出格式 int i; for(i=0;i=3) pos=0;/共有三个位置0、1、2，超过了2要马上清0 if(screen=2) screen=0;/共有两行0、1，超过了1要马上清0 /na_LED8-np_piodata=1pos;/用一个LED指示当前调整的位置 if(screen=0) screenflag=8; else screenflag=0; /IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_GREEN_BASE,(1pos)|screenflag); usleep(1000000);/等待1秒的定时时间 if(second59) second+; else second=0; if(minute59) minute+; else minute=0; if(hour23) hour+; else hour=0; if(day30) day+; else day=1; if(month12) month+; else month=1; if(year1)day-; else if(check_month(month)=0)day=30; if(check_month(month)=1)day=31; if(check_month(month)=2) if(check_year(year)day=29; else day=28; if(screen=1) if(second0)second-; else second=59; if(pos=1) if(screen=0) if(month1)month-; else month=12; if(screen=1) if(minute0)minute-; else minute=59; if(pos=2) if(screen=0) if(year0)year-; else year=2005; if(screen=1) if(hour0)hour-; else hour=23; break;case 0x04:/对当前位置上的数据执行加操作 if(pos=0) if(screen=0) if(check_month(month)=0)if(day30)day+;else day=1; if(check_month(month)=1)if(day31)day+;else day=1; if(check_month(month)=2) if(check_year(year)if(day29)day+;else day=1; else if(day28)day+;else day=1; if(screen=1) if(second59)second+; else second=0; if(pos=1) if(screen=0) if(month12)month+; else month=1; if(screen=1) if(minute59)minute+; else minute=0; if(pos=2) if(screen=0) if(year9999)year+; else year=2005; if(screen=1) if(hourDevice and Pin Options-Unused Pins，改为As input tri-stated。七、 总结通过这12周的SOPC技术综合设计实践的学习，我学会了Quartus II，SOPC Buider和Nios II DE2 的使用，并通过这些软件可以进行简单的实验操作，强化了我的动手能力，并通过这几次实验更加了解SOPC的设计与应用。在实验中，遇到了各种各样的问题，首先是自己进行检查，查不出来再由老师同学进行检查和讲解，提高了自己解决问题的能力，并且熟悉了整个实验的流程及具体的操作。我觉得这门课程很有意思，实验中是把各个部分的操作整合在一起，形成一个系统，做实验时要有整体感，一旦出现问题整体的重新进行设置和编译，比如如果添加组建时出现错误，要重新添加，重新生成模块，重新倒入模块，重新编译顶层文件，是一个整体的过程。八、 附录参考SOPC技术与应用，编著：江国强，机械工业出版社。参考SOPC技术综合设计实践实验指南，编著：邱德惠。思考题：1 何谓SOC？SOC（System On a Chip）称为片上系统，它是指将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上。SOC中可以包括微处理器CPU、数字信号处理器DSP、存储器（ROM、RAM、Flash等）、总线和总线控制器、外围设备接口等，还可以包括数模混合电路（放大器、比较器、A/D和D/A转换器、锁相环等），甚至传感器、微机电和微光电单元。2 何谓SOPC？SOPC（System On a Programmable Chip）称为可编程片上系统，它是基于可编程逻辑器件（FPGA或CPLD）可重构的SOC。SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环（PLL）、存储器、I/O接口及可编程逻辑，可以灵活高效地解决SOC方案，而且设计周期短，设计成本低，一般只需要一台配有SOPC开发软件的PC和一台SOPC实验开发系统（或开发板），就可以进行SOPC的设计与开发。3 何谓IP核？IP（Intellectual Property）是知识产权的简称。集成电路IP是指经过预先设计、预先验证、符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，并具有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统，如CPU、运算器、存储器、放大器等。集成电路IP模块具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可重复用于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。4 何谓嵌入式系统，嵌入式系统的CPU核可以分为哪两种类型？嵌入式系统是指嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用软件。基于SOPC的嵌入式系统结构主要包括嵌入式微处理器（CPU核）、定时器（Timer）、嵌入式锁相环（PLL）、嵌入式数字信号处理器（DSP）及其他IP模块等部分。嵌入式系统的CPU核可以分为硬核和软核。5 简述CPU软核的特点。软核通常以可综合的HDL提供，因此具有较高的灵活性，并与具体的实现工艺无关，其主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性。由于软核是以源代码的形式提供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知识产权保护问题不容忽视。6 简述HAL的用途及基于HAL的外围设备的编程方法。HAL作为支持Nios II处理器系统的软件包，为用户的嵌入式系统上的外围设备提供了与之相匹配的接口程序。用户不用自己建立或复制HAL文件，也不需要编辑HAL中的任何源代码，使用时只需要在C/C+源程序中指明代表这些接口程序的库函数包含的头文件即可。在一个基于Nios II的SOPC系统上，外围设备包括通用异步串口UART、发光二极管LED、七段数码管、按钮、LCD、存储器、定时器、鼠标、VGA等。在应用软件的开发中，对于按钮、发光二极管LED、七段数码管等通用输入输出设备的编程比较简单，而对于通用异步串口UART、LCD、VGA等字符模式外围设备的编程就比较复杂。为了方便用户对字符模式外围设备的编程，HAL支持标准输入、标准输出和标准错误函数，允许在程序中调用stdio.h中的I/O函数来完成对这些设备的访问，也支持字符模式外围设备的通用访问。7 简述SOPC的设计流程。SOPC硬件开发流程a) 创建Quartus II工程b) 创建Nios II系统模块c) 配置Nios II系统d) 将Nios II系统模块、LPM和用户自定义模块连接起来e) 编译、引脚分配、编程下载SOPC软件开发流程Nios II程序包括一个应用工程、可选的库工程和一个板支持包工程（自动生成）。将Nios II程序编译成一个能在Nios II处理器上运行的.elf文件。1 新建Nios II C/C+应用工程与系统库工程为新的Nios II工程命名、选择目标硬件（硬件系统的PTF文件，IDE根据该文件来建立系统库）、选择新工程的模板、建立C的源文件与头文件（注意一定要加上后缀名.c）、创建新的系统库（为硬件提供相应驱动）注意：工程文件夹要建在D盘根目录下（其中D盘装有Quartus II软件）2 编译与设置工程对工程进行编译projectbuild project，编译成功后，在工程下面会出现一个Binaries目录，其中有一个可执行文件.elf。3 运行与调试程序4 编译整个项目软件设计完成并调试成功后，可以在Quartus II中将整个项目进行编译，将硬件配置信息和软件初始化信息编译在一起，并固化到EPCS1芯片中。8 简述AVALON总线的特点。Avalon总线是一种相对简单的总线结构，主要用于片内处理器与外设的连接，构成SOPC系统。Avalon总线拥有多种传输模式，以适应不同外设的要求。Avalon总线支持多总线的主外设，并允许在单总线外设之间传输多个数据单元，在构建SOPC系统时拥有极大的灵活性。9 System.h系统描述文件包含了哪些NIOS II系统的硬件信息？处理器配置 外设列表 存储器配置 定制指令宏 处理器复位和异常地址 代码段位置10. 基于altera公司的SOPC