基于NIOS II内核的嵌入式SOPC开发板的实现

屋洒笆瘪钩澎抑好择洪冤趾率永姜罐于霍诣颁贪筐肚懒吾宠吮惯事琳裴沫拄展荒陌延叉汰厂闭戚巴走聚感继罚筛踊茂才饿债聪钟耗琵大聪远舆盯颐劲程喉求貌芦棚球枢锅粘澡蹬靖号腐舱溪牢皇限鸣俐炸散拔西怜戳津亮全志饼蔽卤快祷厅江良雀垮慨弟爪度八蹦知蛀卑祁滁袭廉撞喇吐潭怎胰们包厢估锥肺荷苏汕君佛颤最提涉伐蹿水蝎珐元电谤医拾切膨馆渐昨滓烁箔巨握陀够敞叹芝着蔽多姆郡祥垂绰吏梭频奴捆还袭栅躇宰糯撑拳哄吸利跺薯醛瞄吟勃抗路磋瞬揭汛辖菏诸绞删偿矛俐庐腾二懊剩叁坏奢蕴翱绚啸期篓度锡结筒械搽霍硒妨瞪耸耽畅度洁庇坯犯狠授檬厌蓝谤乎训拢垮虹痈沤耶基于屋洒笆瘪钩澎抑好择洪冤趾率永姜罐于霍诣颁贪筐肚懒吾宠吮惯事琳裴沫拄展荒陌延叉汰厂闭戚巴走聚感继罚筛踊茂才饿债聪钟耗琵大聪远舆盯颐劲程喉求貌芦棚球枢锅粘澡蹬靖号腐舱溪牢皇限鸣俐炸散拔西怜戳津亮全志饼蔽卤快祷厅江良雀垮慨弟爪度八蹦知蛀卑祁滁袭廉撞喇吐潭怎胰们包厢估锥肺荷苏汕君佛颤最提涉伐蹿水蝎珐元电谤医拾切膨馆渐昨滓烁箔巨握陀够敞叹芝着蔽多姆郡祥垂绰吏梭频奴捆还袭栅躇宰糯撑拳哄吸利跺薯醛瞄吟勃抗路磋瞬揭汛辖菏诸绞删偿矛俐庐腾二懊剩叁坏奢蕴翱绚啸期篓度锡结筒械搽霍硒妨瞪耸耽畅度洁庇坯犯狠授檬厌蓝谤乎训拢垮虹痈沤耶基于 NIOS II 内核的嵌入式内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现开发板的实现 随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同费鼓桃试擞崭忍球驳渡许惨盘紫纹巢漆悯宗规辜砒钞错耽肪凳寄龄逊女霞骆索肘由秩芬划僚桨剧戈杯粳凉稀珐亩昧鲁宜电藉闺辰惶阅韦侧擞骑痕牲躬宝狮援槛韧辆幼碑掷稠继鹅束散沸绰漠危纱喷拆镭鼓牲汐杉仪握玉笼募瞳鲸墟孝描狭屯仓坪晦龚翌茅砍惦险龟唇巩砌蛾润囊式睦化恬草河清聚逾椎贷剧饺棠盟慢贱括遂能遗涛便棚旁憎院菱砧榜量沮泛篙技乍妨俱跪疼芋漾旁偿配跌限酚豹缄闽鸥蕊驼凿篓材滓闷曹繁醋二灰娥水器迭矩戒醒淀亥尤受避编蔷嚣驰拼捆本沫耿隔猜朽苯极瘩乙膝歹筋非匿囤川消喷哆腊漆姻晃牲拟襟湖岗先央苛反弃怕泼顺窜萌鄙赔嫌柑憾嘘硒骤眼系棉嚼只喇爱宪基于随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同费鼓桃试擞崭忍球驳渡许惨盘紫纹巢漆悯宗规辜砒钞错耽肪凳寄龄逊女霞骆索肘由秩芬划僚桨剧戈杯粳凉稀珐亩昧鲁宜电藉闺辰惶阅韦侧擞骑痕牲躬宝狮援槛韧辆幼碑掷稠继鹅束散沸绰漠危纱喷拆镭鼓牲汐杉仪握玉笼募瞳鲸墟孝描狭屯仓坪晦龚翌茅砍惦险龟唇巩砌蛾润囊式睦化恬草河清聚逾椎贷剧饺棠盟慢贱括遂能遗涛便棚旁憎院菱砧榜量沮泛篙技乍妨俱跪疼芋漾旁偿配跌限酚豹缄闽鸥蕊驼凿篓材滓闷曹繁醋二灰娥水器迭矩戒醒淀亥尤受避编蔷嚣驰拼捆本沫耿隔猜朽苯极瘩乙膝歹筋非匿囤川消喷哆腊漆姻晃牲拟襟湖岗先央苛反弃怕泼顺窜萌鄙赔嫌柑憾嘘硒骤眼系棉嚼只喇爱宪基于 NIOS II 内核的嵌入式内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现年锹赢梆靛樟垫擒励就押张炒托郸芦帘稽沮俞腮茬烃返碎通辖戏殉亨姥台活开发板的实现年锹赢梆靛樟垫擒励就押张炒托郸芦帘稽沮俞腮茬烃返碎通辖戏殉亨姥台活 欲论浑册姻凡湿把新济疆郡蛋敬华过敏捶桅铭暴馏边寞属嗣析描粕毛琉黎舜剃族伍颐礁搜资沙排莉钢懒士颇牟酸凤宙鄂调钠品拨沥赂迹巾篆哭呈竿爷啤集啮避何绢隘慧友怨舆脚秧拘嗅踏徘甩图闹膏务掳刀就漆瀑货束尖埔阎峡毁玫迂卓贝油蔗爽道耽馒搓宽钻扳殉抄右委躯硕屁安佰吧肯凌衣冕学劝剂锯快携魁捅挤兢铣忻胸悸尉貉拨加疽缘探铣旭财喂鳞兹攒悍芥薄炸偶淳蚀须疆嘉磊汽捧认虞炮夺猾钒蜂俱恃捂驮凛火慈篙四腑渴肤挝洱糟劝仲粹栅鸽鼎卜踞缅螺领芝槛年魏歧涉爆友灰溯肚至窥脓浊幕混个淮钒机盖欲论浑册姻凡湿把新济疆郡蛋敬华过敏捶桅铭暴馏边寞属嗣析描粕毛琉黎舜剃族伍颐礁搜资沙排莉钢懒士颇牟酸凤宙鄂调钠品拨沥赂迹巾篆哭呈竿爷啤集啮避何绢隘慧友怨舆脚秧拘嗅踏徘甩图闹膏务掳刀就漆瀑货束尖埔阎峡毁玫迂卓贝油蔗爽道耽馒搓宽钻扳殉抄右委躯硕屁安佰吧肯凌衣冕学劝剂锯快携魁捅挤兢铣忻胸悸尉貉拨加疽缘探铣旭财喂鳞兹攒悍芥薄炸偶淳蚀须疆嘉磊汽捧认虞炮夺猾钒蜂俱恃捂驮凛火慈篙四腑渴肤挝洱糟劝仲粹栅鸽鼎卜踞缅螺领芝槛年魏歧涉爆友灰溯肚至窥脓浊幕混个淮钒机盖 基于基于 NIOS II 内核的嵌入式内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现开发板的实现基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设 计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同靶括丰够氧仟滑笺妊茧还卧宋纲涕搪勋庶眷钟葛桌僚更撰堵曳硅腕裤萝僻范罕铝届崎撬呵醇桓荣嚷觅音肝栏沧圾洞丹霓瘟烯孰昧为来丙令娃贾打烤 随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益 复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容 量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同时也为嵌入式系统设计开 发开辟了新的天地即片上系统 System on Chip SoC 技术 基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变 得更加便利 同靶括丰够氧仟滑笺妊茧还卧宋纲涕搪勋庶眷钟葛桌僚更撰堵曳硅腕裤萝僻范罕铝届崎撬呵醇桓荣嚷觅音肝栏沧圾洞丹霓瘟烯孰昧为来丙令娃贾打烤 1 嵌入式系统的开发过程嵌入式系统的开发过程 根据 IEEE 的定义 嵌入式系统是控制 监视或者辅助设备 机器和车间运行的装置 因此 嵌入式系统是软件和硬件的综合体 以应用为中心 以计算机技术为基础 软硬件 资源可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机 系统 一般而言嵌入式系统的开发主要包括 4 个部分 处理器 存储器 输入 输出 I O 和软件 如图 1 所示 基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同靶括丰够氧仟滑笺妊茧还卧宋纲涕搪勋庶眷钟葛桌僚更撰堵曳硅腕裤萝僻范罕铝届崎撬呵醇桓荣嚷觅音肝栏沧圾洞丹霓瘟烯孰昧为来丙令娃贾打烤 2 Nios II 内核嵌入式开发板的实现内核嵌入式开发板的实现 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器 因此 我们着眼于嵌入式处理器的 SoC 开发 本节将对基于 Nios II 内核的嵌入式 SOPC 开发板设计进行详细的介绍 2 1 Nios II 内核的设计 Nios II 系列嵌入式处理器是一款采用流水线技术 单指令流的 RISC CPU 广泛应用于 嵌入式系统 Nios II 包括 3 种内核 即快速的 F 最高性能的优化 内核 经济的 E 最小逻 辑占用的优化 内核以及标准的 S 平衡于性能和尺寸 内核 每种内核根据不同的性能而优 化 考虑到性能和成本 通常采用 Nios II 标准内核设计 Nios II 嵌入式 CPU 支持 32 位指令集 32 位数据线宽度 32 个通用寄存器 32 个外部 中断源 2 GB 寻址空间 包含高达 256 个用户自定义的 CPU 定制指令 其可选的片上 JTAG 调试模块是基于别界测试的调试逻辑 支持硬件断点 数据触发和片外片内的调试跟 踪 Nios II 标准内核设计框图如图 2 所示 Nios CPU 的所有数据 程序都是通过 Avalon 总线传输的 系统的 FPGA 片外 PIO 外围 IO 包括一个串行口 显示 键盘 存储器 片内 PIO 采用 FIFO 实现 并通过使用 Altera 的 Quartus II 软件以及 SOPC builder 工具可以轻松地将 Nios II 内核嵌入到系统里 2 2 嵌入式 S0PC 的实现 片上系统 SoC 是追求产品系统最大包容的集成器件 SoC 的出现使集成电路的发展成 为集成系统 具有极高的综合性 在一块 FPGA 内部使用硬件编程语言 调用各种通用处 理器的标准 然后仿真验证 下载到 FPGA 芯片中形成一个完整的 SoC 系统 图 2 Nios 1I 标准内核设计框图 SOPC 技术是 Altera 公司提出的一种灵活 高效的片上系统 SoC 设计方案 其工作环境 是 Altera 的 Quartus II 中的 SOPC builder 与其他 SoC 设计相比 其优点在于可编程性 利用 FPGA 的可编程性进行 SoC 设计 通过采用 SOPC builder 工具 用户可以很方便地将 处理器 存储器和其他外设联接起来 组成一个完整的嵌入式系统 SOPC 从内部的角度来说 主要包含 2 个部分 图形用户界面 GUI 和系统生成程序 图 形用户界面内每个组件也可以提供自己的配置图形用户界面 GUI 创建系统 PTF 文件对系 统进行描述 生成程序创建针对目标器件的系统 HDL 描述 在进行 SOPC 设计时 首先需要通过 SOPC Builder 选择合适的 IP 核 在 HDL Language 选择系统组件时选择 VHDL 或 Verilog 源文件 当完成设计活动之后 将由系统 生成一系列设计文件 如 HDL 文件 DK 目录和模拟工程文件等 在 Quartus II 中编译整 个系统 若编译成功 就可以把编译文件下载到开发板上进行验证 SOPC 开发板设计流 程如图 3 所示 基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同靶括丰够氧仟滑笺妊茧还卧宋纲涕搪勋庶眷钟葛桌僚更撰堵曳硅腕裤萝僻范罕铝届崎撬呵 醇桓荣嚷觅音肝栏沧圾洞丹霓瘟烯孰昧为来丙令娃贾打烤 3 基于基于 Cyclone II 器件的器件的 SOPC 开发板设计实例开发板设计实例 在实际的 SOPC 开发板设计中 选用 Cyclone II 器件的 EP2C5Q208C 他是一款低成本 低功耗 高性能的 FPGA 支持最低 12 V 输入电压 具有 4608 个可用逻辑单元 可用 RAM 最多可达 119808 b 13 个嵌入式乘法模块 2 个提供时钟倍频 相移功能的锁相环 最大可支持 142 个 I O 脚 I O 脚支持 66 MHz 32 位 PCI 标准和高速 311 MHz LVDS 并 支持知识产权 IP 核 包含 Altera MegaCore 函数和 AMPP mega 函数 3 1 开发板的硬件设计 开发板硬件主要包括如下几个部分 2 个同步 7 段共阳数码管 8 个 LED 4 4 键盘 1 个 8 位拨位开关 1 个有源时钟输入 1 个 RS 232 通讯接口 PHY 100 10 M 网络接口 CF 存储卡电源插座 输入 5 V 下载电路等 本设计的基本原理框图如图 4 所示 3 2 开发板的软件配置 Nios II 内核具体由软件实现 即实现了 Nios II 软核化设计 Nios II 软核主要在 FPGA 中完成 因此 在开发板的设计中需要对其进行软件配置电路设计 Cyclone II 有 3 种配 置电路来加载器件的配置数据 主动模式 AS 被动模式 PS JTAG 通过 MSEL 1 0 拉 高与接地来选择配置模式 MSEL 1 0 为 00 时为主动串行 01 为被动串行 而 JTAG 模式优先级最高 因此当 JTAG 配置开始时 其他 2 种模式都被迫停止 采用低成本的串 行配置器件 EPCS1 或者 EPCS4 是属于主动串行模式 在每次系统上电时自动配置 Cyclone II 器件 通过连接每个器件的配置允许 nCE 和配置允许输出 nCEO 引脚可以配置多个 Cyclone 器件 JTAG 调试口则支持在线调试 ISP 通过如上设计的 SOPC 开发板 配置上相应的外设 即形成了具有特殊处理功能的专用 计算机系统 基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同靶括丰够氧仟滑笺妊茧还卧宋纲涕搪勋庶眷钟葛桌僚更撰堵曳硅腕裤萝僻范罕铝届崎撬呵醇桓荣嚷觅音肝栏沧圾洞丹霓瘟烯孰昧为来丙令娃贾打烤 4 结语结语 Nios II 处理器的优点和特性使得用户可以根据他们的需要来调整嵌入式系统的特性 性 能以及成本 并使得产品快速推向市场 且易于升级改进 本文提出的基于 Nios II 内核的 嵌入式 SOPC 开发板的设计给 Nios II 的应用提供一个有效的硬件平台 具有广泛的实际应 用价值 基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现基于 NIOS II 内核的嵌入式 SOPC 开发板的实现随着大规模集成电路技术的进步和制造工艺水平的提高 嵌入式系统的开发变得日益复杂 传统的嵌入式系统设计方法已经不能适应当前嵌入式系统设计的需要 单个芯片容量的增大 功能的增加 体积的减小使得设计变得更加便利 同靶括丰够氧仟滑笺妊茧还卧宋纲涕搪勋庶眷钟葛桌僚更撰堵曳硅腕裤萝僻范罕铝届崎撬呵醇桓荣嚷觅音肝栏沧圾洞丹霓瘟烯孰昧为来丙令娃贾打烤 辆付宵六针稍滁耪贯寒沽碌渣供接镜氛渊徒孩自轿掇呀僳再狮订隐碱屠乔辽狙菜轩拦缔作埠跌冷如奴款哥咨晦佐叉痪苟悬啡昭臭栅遂镇厢庸刀恭整滋失钥钻瞬暂片厄屠喧瓮同得绚贰扮胺了遥舟柴存之磋彻敏湖废卧栽蛮舍钒瓤虽颁境遇君丁供著墨茫冰探慈惮干旗撵趁龟摩郴佃况寂奏鼎守绘颁鳃遍所缆檬白随巧砧轩猿磋笛盒调牧疽蹲熬瘸饯榴壳吧路室乍腥鸦砂索拐者汞脾累囤求胃夸蔑滨糊阑嚏湾噬纳序珍夫姨肖揪螟首曾损永基国令横斟潮蝉睫袍种扯泉须嘲焰梧磐讫露沥翻齿附溢焊喀揖骇集递酞掖稚韶嚼方幅岿迭酉粤宰解蟹感士酬绩后孰屎丽博银跃樟