nios2移植uClinux硬件架构.doc

niosII 硬件架构在开始之前，我总是想多说点，因为看了很多的教程，中间也很辛酸，要达到无师自通的境界，在这种领域有些困难，每每遇到问题，总是喜欢百度一下，当找不到符合自己的情况的时候才是最头疼的时候，我们有点懒，有点想走捷径做做笔记，同时也做做教程，在摩尔定律走不下去的时候，我们就会想起FPGA，我们乐此不疲，因为前途无量，当我们轻车熟路，请不要忘了给我们经验的前辈，同时有好的经验的时候，写写教程，小则帮助一二像我们一样的人，大则为中国的科技兴国做做贡献，无所求，只为心里踏实。这个教程分两部分，一个是硬件架构，另一个是软件架构，不免会有错误，希望指正，694768787所需硬件要求：cpu包含硬件乘法器，timer， 串口，至少8M SDRAM usb blaster , pc一台所需软件要求： ubuntu镜像文件，virtualbox虚拟机，quartus II 10.1, NiosII IDE 10.1 ,还要下载altera的nios2gcc-20080203.tar.bz2交叉编译器，nios2-linux-20080519.tar 里面包含了linux的源代码此番硬件架构大体分为以下内容：1. 建立quartusII 工程。2. 利用sopc 工具搭建niosII软核处理器。3. 建立锁相环。4. 编译工程，分配引脚，重新编译。5. 提取所需的ptf文件。1. 建立工程： 选择File - New Project Wizard.会点英文的，或者是用过别的软件的都会知道，wizard是向导的意思，我们就喜欢向导，因为它会给我们剩下很多工作。这个不用管它，点next，向下。这个对话框就有用啦，看第一行，翻译过来就是你要把工程放到哪个文件夹下，然后点.选吧，选择你要放的位置，但是我要提醒一点就是，因为这是个外国人用的软件，它的路径里不能有中文，否则当你用niosII IDE软件的时候会有莫名奇妙的错误，这个就是我的经验，免费告诉大家啦。我设置的路径是D:quartus_prouclinux_nios2，然后点击：打开。看第二个框。工程名字，这次的有点特殊了，我们要同时看看第三个框了，第三个是顶层实体的名字，如果知道硬件描述语言，那么肯定会明白我说的意思，这里的工程名字必须和顶层实体的名字相同，我在工程名字填上uclinux_nios2。你会发现它自己就会设置名字是一样的，有的人会认为我有点罗嗦了，但是我还是照顾那些爱问为什么的，因为我就喜欢，我不太喜欢那些缺胳膊缺腿的教程，太伤脑了。继续点next。这一步向工程添加文件，你如果用硬件描述语言写了一些模块的话就可以添加进去，我没有，所以继续点next。这个是设置硬件型号，上面的family是家族，我的是黑金开发板，型号是Cyclone II EP2C8F256C 那么就按照你开发板上的fpga型号选上就好了，没什么可解释的，继续next。这个对话框时选择工具，其实quartus II的工具已经集成了，没必要选，反而增加学习的难度，继续next。即将完成啦，看一下我们所设置的，工程名字，器件名称，EDA tools ，等等吧，直接finish。看一下我们的左上角就有工程啦，然后呢，我们建立原理图：选择File-New.然后再选择：用过protel 99se的人应该会很熟悉Schematic这个词，尽管不知道是啥意思，但是却知道建立这么一个文件时原理图文件，在这也一样，所以你会看到的也是一个原理图的文件： 看到这些应该会亲切许多吧？2. 利用sopc 工具搭建niosII软核处理器。选择SOPC BuilderSOPC Builder，就是建立niosII软核处理器的工具，我们看一下跑uclinux的最低配置要求：最小系统至少要包括：一个niosii cpu，一个sdram控制器，cfi_flash控制器（在单板上不需要flash），全功能的timer，用于通信的jtag uart或serial uart。可以根据单板的硬件资源来适当配置逻辑，比如加入一些led和key等等。在linux里面中断0是自动识别的，所以在硬件系统里面不要使用0号中断。 这些就是我们在sopc中要建立的啦，按照过程来，少什么填什么，查漏补缺，我写这个教程，希望各位已经有了51单片机的基础，如果什么都不懂得话，我建议你还是从51入手，一步一步走来，很快的，我只用一个月。最起码这里面的名词我们都要知道，尽管我们还不怎么或者根本就不会用，但是我们知道他是干什么的就行了。好啦，继续。这个就是sopc的界面啦。看一下弹出的第一个对话框，system name 系统名称，就是niosII系统的名称，它最后生成一个元器件，有引脚，名字就是它，就像是我们的74LS138在这写的就是名字，它生成的是他的原理图元器件。我给他取个什么名字呢？叫niosII吧。下面的target HDL是目标硬件描述语言，我擅长的是VHDL，我就选VHDL，其实后面也用不到，至少目前用不到，然后点OK。首先我们应该看到的是上面那个黑体的clk_0，它太显眼了，我们稍微研究一下，cpu都需要时钟的嘛，我们的niosII也不例外，看它的source 写的是external 表明是外部时钟，后面是它的频率，在这我们肯定希望我们的cpu频率很高啦，因为它越高速度就越快，不过局限于现在的制造工艺，我们的niosII软核处理器能稳定运行的频率是130MHz左右，那要看我们配置如何啦，不过我相信会有奇迹的，这种频率与arm系列的比起来也就是arm7的水平，不过已经够用啦，毕竟FPGA在这方面不是强项，我们别挑剔那么多，我们学的是技术。我就把clk的时钟（双击就行）改为100MHz。记住哦，后面我们的锁相环PLL也会用到这个值。留意一下。有了时钟了，就像是51单片机的晶振，接下来我们就加上niosII软核处理器，可以双击Nios II Processor 或者点击下面的Add按钮，点击之后会出现niosII 软核cpu的配置界面，这里面有很多细节要注意，也就是按照套路来的，静下心仔细想想就行了，好吧，继续讲解：首先映入眼帘的是一个大的框架，我放大一点看一下都有什么：略懂英文的，我是说计算机方面的英文就能看个大概，这里有三个型号的软核处理器：Nios II/e ：e就是经济的缩写，翻译就是经济型，它占用的LE最少，很清楚，但是慢。Nios II/s ：s就是stand 标准的，也就是处于旁边两种之间的类型，应该很均衡。Nios II/f ：f就是fast ，显然它是最快的，但是消耗很多的LE，性价比高嘛，只要够用， 我们就选它啦接下来说说下一个注意的地方：接下来的就和内存扯上关系了。 Reset Vector 是启动的时候程序开始的位置，就像是我们的电脑，我们按下开机按钮后程序先从硬盘读取程序，然后把程序存到内存中，之后再从内存中执行，既然这样呢，我们就需要一个像硬盘的东西存住我们的代码，这里就要用flash了，闪存，容量够用就行，我的开发板是epcs16，这是个串行的flash，这个时候我们还没添加呢，所以等会还要回来设置它。Exception Vector 是异常时程序执行的位置，当然是内存啦，在内存中执行的，像是看门狗电程序吧。这里就是要用到ram，片上ram太小了，运行小的程序可以，但是这次我们运行的是uclinux，它毕竟也是个操作系统，所以必须把开发板上的sdram用上，它有8Mbit，满足uclinux运行的最低要求了。这个时候我们也没有添加，所以我们还要等会才行。下面还有两个选项，include MMU / MPU 这个是内存管理单元，和内存保护单元，它们是运行大型操作系统必备的硬件资源，原则上现在的niosII处理器已经能够移植Linux和windowCE了，但是这个时候局限它的是它的主频。有点低啊，所以还是处理点低端的吧，其余的还是交给arm9等等的吧。点击next继续： 缓存设置，缓存包括两部分，左面的是指令缓存，我们不去关心它，加上缓存的目的就是提高niosII软核处理器的处理速度，看看右面的那部分，Data Cache 大家应该熟悉点，数据缓存的作用就是存储最近访问过的数据，CPU尽量使用缓存里的数据而不进行外部存储器的操作。至于用法等着以后再摸索吧。我们买电脑的时候关心cpu几级缓存，多大多大等等，这个就是了，但是现在我们不能要它，想一下如果它把你的数据给你存住了，你就看不到你要的结果了，那样多不好，所以点那个下拉按钮，选择null。然后点next：看一下标题：advanced features 高级功能，我们不太怎么需要，所以next：这个是MMU 和 MPU的，因为我们在刚开始的地方没有选择他们。所以他们是灰的了，继续next：这个是JTAG功能，是调试用的，也是cpld和fpga独有的功能，他们相似于串口，但是好像比串口高级很多哦。我们选择Level 1 就足够了，所以继续next：这个没有什么可说的，直接点finish，终于完成一个cpu啦！Cpu设计好了，接下来的就是内存啦，ram，没有ram怎么运行程序啊，这里就需要添加sdram的控制器，看看左面的那些：这有很多已经设计好的模块，我们不用硬件描述语言来描述啦，这些都是IP核，已经写好的，看哪个Memories 我敢肯定sdram的控制器就在这下面，我们依次展开：看，就是这个，双击它。Presets ：这个应该就是选择sdram的型号什么的，我的板子上的是位宽16bit的单击下拉按钮，选择custom：然后修改位宽：修改完之后就可以了，直接点finish完成。Sdram控制器已经添加成功了，等着把分配的引脚连接上芯片就可以用sdram了。接下来是添加rom了，板子的rom是epcs16，它是一块2Mbit的串行flash，我们用它来盛放我们的程序，还有fpga的配置信息。还是在memory里面，找flash - EPCS双击添加：这次直接点finish即可，不需修改。这么一个系统在原则上就可以运行啦，但是我们还要实现别的功能呢，继续添加别的功能IP模块：我们添加的System ID，这个模块是用于niosII IDE和quartus II的校验用的，以防止它们的版本不一致而发生错误。双击添加，直接finish，不用在乎那个Warning：添加之后：下面要添加的就是实用的工具了，我们要下载程序到niosII中，必须要有个串口，在这我们就用fpga独有的JTAG UART，它和串口兼容，所以我们在serial中就能找到它啦：双击添加即可：看一下这有两个配置：写和读，我们不用改动，直接选择finish即可，至于为何，以后再研究。Finish添加：接下来要添加的是全功能的时钟，像是单片机一样的定时器，找到Timer：双击添加，进入它的配置界面：它的配置界面也不是很复杂，第一个框就是timeout period 应该就是溢出时间的设置，用过51的人肯定会知道，这个时间我们自己能设置，所以，不去管它。下面那个是定时器的宽度，51的是16位，分高八位低八位，在nios中我们就选择32的吧，下面选择全功能的时钟：直接finish完成即可。看一下还缺什么？ 一个niosii cpu， 一个sdram控制器， cfi_flash控制器（在单板上不需要flash）， 全功能的timer， 用于通信的jtag uart或serial uart。好啦，重要的什么都不缺了，下面就是稍微修理修理，对了还有个地方需要改一下：大家还记得这个地方吧？设置一下吧：看看这些名字怎么那么别扭呢？回到主界面：修改一下他们的名字：直接选中它的名字右键rename即可：看我改完后的图片：这下就感觉好多了。下面修改一下rom的地址，让他从0开始符合我们的思维方式，直接双击修改就行啦，然后点旁边的小锁，锁住它。看一下，出现error了吧，没关系，点击上面的自动分配基地址：至此呢cpu的搭建基本完成啦，这里还要加一点说明就是中断的问题，在altera的wiki上说的，除了timer不要把中断0分配给别的，这里我从1开始分配的。继续，点击Next：单选框是运行仿真的环境，我们不需要，不用选择，下面是nios II IDE的工具，我们也不写程序，先不管它，点最下面的Generate，生成软核模块,过程有点慢，不过很值得等，呵呵。出现success啦：点Exit，退出，回到原理图编辑器，在图上双击：选择project下的niosII，就是我们刚才费了好大劲才出来的软核cpu，点ok添加到里面去：看一下它的引脚，不是很多呀，呵呵，其实也不少，好多全是sdram的引脚的还有一个clk的，我们在前面说过clk是100Mhz的，可是我的开发板只有20MHz的有缘晶振，怎么给他100MHz呢？这就要用到FPGA器件内部的PLL模块了，PLL模块就是实现倍频功能的，这就把知识一下子顺起来了，想想我们的电脑，里面是不是有个外频，主频，倍频的概念？下面开始建立PLL模块，双击原理图：选择MegaWizard Plug-In Manager：Next继续：我们要找的PLL就是一个I/O接口，所以我们打开它，一下子就找到了：看，这个ALTPLL就是我们要的功能啦，点击它：右面的界面显示的是用何种语言生成这个PLL，存储的位置，以及名字我填上PLL：点next继续：看一下左面的图片，这个有个inclk0，显然这个是PLL输入的时钟引脚，在右面有个c0，这个显然是PLL输出的地方，看右面，general，what is the frequencey of the inlock0 input？这句话就是告诉我们PLL输入时钟设置，这就要看开发板上的晶振啦，我的是20M的，所以选择20.。其余的大家可以baidu一下，继续next：把这些勾全部去掉，可以简单的翻译翻译就知道他们是什么功能了，第一个是建立一个使能的引脚，第二个是片选的引脚去掉之后，界面就简洁了很多：我们就需要一个输入，两个输出，这两个输出，一个是给niosII处理器的，另一个是给sdram的，好啦，我们继续next：看这个是要我们再添加一个时钟信号，我们没有，也没必要，所以继续next：我们把Clock multiplication factor 设置为5，这就相当是倍频了，我们输入时钟是20，倍频为5，输出时钟就是20 * 5 = 100 MHz啦，下面的偏移量什么的不管，因为这个时钟我们是留着给nios II处理器的，什么都不用做，next：首先，我们看到这个是暗的，把Use this clock勾画上再说，因为我们要用到它：画上勾之后我们就能对它进行设置了，我把倍频设置为5，还有一个地方要注意，就是偏移量，因为sdram要在时钟脉冲到来之前稳定数据，所以要有个延迟，官方有公式计算，具体怎么算我没有看，凭经验值来选择-75：继续next：这是让我们用第三个时钟，这儿就不需要了，所以直接finish吧，在空白界面双击，像添加niosII处理器一样把PLL放在原理图上面：接下来我们要做的是给他们添加引脚和导线，右键niosII：生成引脚：好啦，我把它整理整理，添加引脚导线大家应该会吧？呵呵，如果不会我在这就不教了，看我设置完成的图片吧：可以按住CTRL然后滑动鼠标滚珠进行放大缩小，挺方便的。然后进行编译，分配真实的管脚。看到没？Start compilation 点一下，哦对了，这里不叫编译，叫综合，呵呵，等一会：Ok，编译成功，接下来我们要分配引脚：然后把开发板上对应的引脚写上就是了，这个没什么技术可讲，反而倒是件很麻烦的工作，稍微不小心就会弄错。我是将别的导入进去：看一下，没有呵呵，我还没把tcl文件放到我的工程下呢，所以它找不到。把tcl文件拷到我的工程目录下，