SOPC-电子钟.

1、摘要本文介绍基于Nios 的电子时钟的设计方法，在文章中主要分为硬件设计和软件设计两个部分。在设计的过程中，采用Quarters作为仿真平台。在各个部分中，给出每一步的设计方法。读者只要根据所给的方法做，就能设计好一个完整的电子时钟。关键字 Nios Quarters 电子时钟 设计方法第一章 设计要求与软硬件规划在本章中我将给出一个电子钟的软、硬件方案设计以及系统功能和一些具体的功能实现等。 1.1 系统功能电子钟的功能包括下面两个方面：1、在液晶屏上显示时间、日期、状态提示；2、对时间、日期能够进行设置。1.2 硬件系统组成规划1.2.1 需要的硬件设备在硬件系统组织规划中系统需使用的外围

2、器件包括下面四个方面：1、LCD：电子钟显示屏幕；2、按钮：电子钟设置功能键；3、Flash存储器：存储硬件和程序；4、SRAM存储器：程序运行时将其导入SRAM。在SOPC Builder中建立系统要添加的模块包括：1、Nios 32bits CPU；2、定时器；3、按键PIO;4、LCD Display ；5、外部RAM总线(Avalon 三态桥) ；6、外部RAM接口；7、外部Flash接口；8、重新配置请求PIO；9、JTAG UART Interface；10、EPCS Serial Flash Controller。1.2.2 端口定义 在系统中需要对一些端口进行定义，具体的定义方

3、式在下面的表中给出：序号名称输入/输出描述1clk In时钟输入，50MHz2reset_n In复位输入3in_port_to_the_button_3.0In4个按键输入4be_n_to_the_ext_ram3.0Out字节选择5ext_ram_bus_address22.0OutSRAM地址6ext_ram_bus_data31.0Inout SRAM数据7read_n_to_the_ext_flash OutFLASH输出使能（即读信号）8read_n_to_the_ext_ram OutSRAM输出使能9select_n_to_the_ext_flash OutFLASH片选信号1

4、0select_n_to_the_ext_ram OutSRAM片选信号11write_n_to_the_ext_flash OutFLASH写信号12write_n_to_the_ext_ram OutSRAM写信号13LCD_E_from_the_lcd_display OutLCD使能信号14LCD_RW_from_the_lcd_display OutLCD读写信号15LCD_RS_from_the_lcd_display OutLCD端口寻址信号16LCD_data_to_and_from_the_lcd_display6.0Inout LCD数据17bidir_port_to_an

5、d_from_the_reconfig_request_pio Inout 重新配置请求1.2 软件系统规划软件功能包括显示、设置和时间算法三大部分。1.2.1 显示部分 显示部分分为下面几个部分：(1) 显示时间(小时:分钟:秒)(2) 显示日期(年-月-日)(3) 显示状态提示(如Beijing Time、Set hour等等)1.2.2 设置部分设置功能包括设置小时、分钟、年份、月份、日期和退出设置。编写程序前对开发板上4个功能键的分配如下:(1)主菜单SW0：设置选择键,可依次选择设置小时、分钟、年份、月份、日期SW1：显示日期键SW2 ：显示时间键(2)子菜单(即进入到对某个对象设置

6、后的键盘功能)SW1 ：对象数字增加SW2 ：对象数字减少SW3 ：退出,返回主菜单1.2.3软件系统规划(1) 时间累加(2) 确定每个月的最大天数，使年、月、日能够正确累加1.2.4 电子钟主程序流程图系统的电子钟的主流程图如下面所示：1.2.5 程序的设计说明(1) 显示日期是调用display_day(lcd)子程序，在lcd上显示年-月-日；(2) 显示时间是调用display_time(lcd)子程序，在lcd上显示小时:分钟:秒。当begin=0时开始计时；当begin=1时，暂停计时。一旦有按键按下，当选择设置小时或分钟时，则将begin置为“1”，暂停计时，这样能更清楚地看到

7、设置值的变化。而在设置年或月或日时，因为计时单位较小，计时值的变化一般不会影响到日期的值，所以可以使begin=0，边设置日期边计时。 (3) 按键处理子程序handle_button_press(FILE * lcd) 是一个主要的子程序。它首先采用多分支ifelse ifelse形式，根据flag的取值，执行不同的程序块。在每一个条件下（如flag=0，flag=1，flag=5），又采用开关（switch）分支结构，根据edge_capture的值判断应执行哪个程序段。flag=0flag=1flag=2flag=3flag=4flag=5进入主菜单进入小时设置子菜单进入分钟设置子菜单进

8、入年份设置子菜单进入月份设置子菜单 进入日期设置子菜单按键所代表的十六进制数哪个按键被按下SW0SW1SW2SW3edge_capture取值（十六进制）0x10x20x40x8下面以表格形式给出按键处理子程序进行处理的关键步骤。具体的工作过程如下面所示：(1)f lag初始值为0（主菜单模式），若要设置小时，则用户按下SW0，则调用timer_set子程序，flag变为1，并在lcd上显示相应的提示信息，提示用户对小时进行设置；(2) 因为此时flag=1，则进入小时设置子菜单，若用户按动SW1，则调用增加小时数值子程序，若用户按动SW2，则调用减小小时数值子程序 当flag=1时，若按下S

9、W0，则调用timer_set子程序，且flag变为2第二章 硬件部分设计2.1 创建工程 硬件部分的设计可以分为下面几个设计过程：1、创建一个Quartus工程2、启动Quartus 6.03、创建工程quartus_nios2_project法建立一个工程，取名为quartus_nios2_project.qpf，选择元件为Cyclone库的EP1C20F400C7 新建设计文件quartus_nios2_project.bdf 在设计文件中依次添加一些引脚，增添结果如下图所示：具体的方法如下面所示：(1)将“C:alterakitsnios2examplesverilog niosII_

10、cyclone_1c20standard”中所有文件拷入自己新建的工作目录elec_timer_std；(2) 在Quartus 6.0中打开其中的standard.qpf文件；(3) 打开顶层图形文件standard.bdf；(4) 根据实际需要删除或添加引脚，对引脚重命名。对引脚的命名结果如下图所示：2.2 创建Nios 系统模块1、启动SOPC Builder (1) 在Quartus 6.0中执行“ToolsSOPC Builder”命令，则出现Create New System设置向导；(2) 在“System Name”栏中输入系统名称first_nios2_system；(3)

11、点击OK按钮，弹出Altera SOPC Builder主窗口；(4) 在Target-Board选择Nios Development Board Cyclone(EP1C20) ；(5) 在Clock-clk中输入50，具体情况如下面所示：注意：要在Quartus 6.0中启动SOPC Builder，事先必须已打开了相应的Quartus 工程！如果系统已经有Nios 系统模块，此时要修改已有的Nios 系统模块，具体的的方法如下：(1) 在standard.bdf文件中双击std_1c20，则自动打开SOPC Builder ；(2) 在SOPC Builder的模块表中将不用组件（或称模

12、块）的Use复选框去掉；更改某些组件的名称；删除不用的组件（如system ID）；添加所需的新组件；(3) 如果需要，还可以右击cpu，选择“Edit”，对该cpu的类型、 Instuctions Caches大小等选项重新进行设置。具体情况如下表所示： 2.3 添加CPU和外围器件添加CPU和外围器件需从SOPC Builder的元件池中选择以下元件加入到当前系统中： Nios 32bit CPU、 JTAG UART 接口、定时器、按键PIO、LCD Display、外部RAM总线(Avalon 三态桥)、外部RAM接口、外部Flash接口和新配置请求PIO。2.3.1 添加Nios 3

13、2bit CPU 添加Nios 32bit CPU的方法如下面所示：(1) 在模块池的Avalon Module下选择 Nios Processor-Altera Corporation；(2) 点击Add，出现设置向导（默认名为cpu_0）；(3) 在Nios Core页中选择Nios /S，在Caches & Tightly coupled Memoris页中选择Instuctions Caches为4 Kbytes，在JTAG Debug Module页中选择Level 1；(4) 点击Finish返回主窗口，将cpu_0重命名为cpu。情况如下图所示：2.3.2 添加JTAG UART

14、 Interface添加JTAG UART Interface，具体的做法如下面所示：(1) 在模块池中选择Communication-JTAG UART，点击Add，会出现JTAG UART-jtag uart_0的设置向导；(2) 保持系统默认的选项，点击Finish，返回主窗口；将jtag uart_0重命名为jtag_uart。具体的情况如下图所示：2.3.3 添加定时器添加定时器的方法如下所示：在模块池中选择Other-Interval timer，点击Add，会出现Avalon Timer-timer_0的设置向导(1) 在Initial Period栏中选择“1 msec”，在P

15、reset Configuration栏中选择“Full-featured”；(2) 点击Finish，返回主窗口,将timer_0重命名为system_timer 。2.3.4 添加外部存储Flash接口在模块池中选择memory-Flash Memory(Common Flash Interface)，点击Add，会出现Flash Memory(Common Flash Interface)-cfi_flash_0的设置向导。(1) 根据所使用的开发板，在Presets项选择Flash器件为AMD29LV065D-120R；(2) 其余保持系统默认的选项，点击Finish，返回主窗口；将c

16、fi_flash_0重命名为ext_flash。2.3.5 添加外部RAM接口根据开发板类型在元件池中选择相应的SRAM，在本例中选择EP1C20-IDT71V416 SRAM ，点击Add，会出现SRAM(two IDT71V416 chips)-sram_0的设置向导；在Attributes栏中，确定存储器大小为1024KB；其余保持系统默认的选项，点击Finish，返回主窗口；将sram_0重命名为ext_ram。结果如下图所示：2.3.6 添加外部RAM总线Avalon Tri-State Bridge是Nios处理器与FPGA片外存储器之间相互通信的桥梁。在模块池中选择Bridge-

17、 Avalon Tri-State Bridge，点击Add，会出现Avalon Tri-State Bridge-tri_state_bridge_0的设置向导；保持系统默认的选项，点击Finish，返回主窗口；将tri_state_bridge_0重命名为ext_ram_bus。2.3.7 添加Button PIO在模块池中选择Other- PIO(Parallel I/O)，点击Add，会出现Avalon PIO-pio_0的设置向导；确定以下选项：Width为4bits，Direction选中Input port only，则使能了Input Options栏；点击Input Opti

18、ons标签页；在Edge Capture Regster域选取Synchronously capture；选择Falling Edge；在Interrupt域选取Generate IRQ；选择Edge；点击Finish，返回主窗口；将pio_0重命名为button_pio。在添加按键PIO组件时，在Input Options标签页中，在Edge Capture Regster域不要选择“Either Edge”，而应选择Falling Edge。否则当按动按键时，按键被按下和弹起所产生脉冲的两个边沿都将被捕获到，则计数器会跳动两次。如果是加1计数器，则每按动按键一次，计数器会加2。2.3.8

19、添加重新配置请求PIO重新配置请求PIO可使器件根据其它外围设备的输入自动进行重新配置。选择Other- PIO(Parallel I/O)，点击Add，会出现Avalon PIO-pio_0的设置向导；添加方法与添加其它PIO的过程一样，不同的是设置以下属性：width设为1bit，在Direction中选择Bidirectional(tri-state) ports选项，其余设置均保持默认选项；点击Finish，返回主窗口；将Avalon PIO- pio_0重命名为reconfig_request_pio。2.3.9添加LCD Display在模块池中选择Display- Charact

20、er LCD(162 optrex 16207)，点击Add，则直接添加到模块表中，将lcd_16207_0重命名为lcd_display。情况如下所示：2.4 指定基地址(1) 在SOPC Builder的模块表中点击ext_flash，并修改其Base为0x0，此时会在信息栏出现基地址冲突错误，如图所示；(2) 选中ext_flash那一行，执行Module-Lock Base Address菜单命令，会在ext_flash的基地址旁边出现一个锁子的图标；(3) 执行System-Auto Assign Base Address菜单命令。使SOPC Builder给其它没有锁定的地址重新分

21、配地址，则之前出现的那些错误信息都消失了。结果如下图所示： 2.5 系统设置选择Nios More ”cpu” Settings标签页，按照下图所示对系统进行设置。 2.6 生成Nios 系统模块(1) 选择System Gerneration标签页(2) 在System Gerneration中选中HDL选项；如果安装了ModelSim软件并需要仿真此设计，可以选择Simulation选项；(3)点击Generate，则生成系统模块，成功则显示“SUCCESS:SYSTEM GENERATION COMPLETED”；(4) 点击Exit退出SOPC Builder。2.7将Nios 系统模

22、块的符号添加到BDF文件在生成过程中，SOPC Builder会生成Nios 系统模块的符号(Symbol)，可以将该符号像添加其它Quartus符号一样添加到当前项目的BDF文件quartus_nios2_project.bdf中(1)双击BDF文件空白处，出现Symbol对话框，选择Project-first_nios2_system(2) 点击OK按钮，将其添加到BDF文件中；(3) 将first_nio2_system模块与输入输出引脚相连，指定目标器件，并进行引脚锁定，完成系统的硬件设计；(4) 保存BDF文件。(5)编译Quartus 的工程设计文件在Quartus 6.0中执行“

23、Processing-Start Compilation”命令，进行全编译。2.8 配置FPGA在Quartus 6.0中执行“Tools-Programmer”命令，将quartus_nios2_project.sof下载到目标板上。第三章软件部分设计3.1 创建工程创建一个Nios IDE 工程分为下面几个步骤：(1) 启动Nios IDE 6.0既可以在“开始所有程序Altera”中启动，也可以直接在SOPC Builder 的System Generation标签页中单击“Run Nios IDE”按钮来启动。则弹出如下对话框，提示用户选择一个工作空间来存储所有的工程，选择系统默认的目

24、录即可 。 (2) 建立新的软件工程elec_timer_std 执行File-New-C/C+ application命令；在弹出的New Project对话框中，Name栏填入新建软件工程名elec_timer_std，SOPC Builder System栏选择刚才修改的Nios 系统模块std_1c20 ，CPU项选择cpu，左侧的Select Project Templete域中，选择Blank Project，点击next；在弹出的对话框中选择creat a new system named 单选钮，点击Finish,则在Quartus 的工作目录elec_timer_std下自动

25、生成software文件夹，新创建的工程elec_timer_std会出现在C/C+工程浏览器中 ，同时会自动创建一个系统库工程_syslib。新建C/C+工程如下所示：创建软件工程后的Nios IDE 工作界面若事先已创建好一个软件工程，当启动NiosIDE后没有打开该工程，则需要将它们导入，导入的方法如下面所示： (1) 执行File-Import命令；(2) 在弹出的Import对话框中，选择“Existing Project into Workspace”，单击“Next”；(3) 在弹出的对话框中单击Browse，则弹出“浏览文件夹”对话框，选择事先已创建好的软件工程所对应的文件夹e

26、lec_timer_std ，单击“确定”，再单击Finish,则此工程会添加到工作区；再将系统库工程elec_timer_std _syslib也导入。3.2 建立源文件time.c和头文件time.h 3.2.1创建源文件time.h 创建源文件time.h的步骤如下所示：(1) 创建头文件在Nios IDE左侧的C/C+工程浏览器中，选择elec_timer_std，执行“File new file”菜单命令，或点击鼠标右建，选择newhead file，在弹出的对话框中，键入time.h。(2) 创建源文件在C/C+工程浏览器中，选择elec_timer_std ，点击鼠标右建，选择n

27、ewfile，在弹出的对话框中，键入time.c。(3) 编译工程在左侧的C/C+工程浏览器中，选择elec_timer_std，点击鼠标右键，在弹出菜单中选择Build Project；或执行“Project Build All”菜单命令。编译完成后会在Task浏览器中显示警告和错误信息。 (4) 运行程序Nios IDE提供三种运行平台，分别为Nios Hardware、 Nios Instruction Set Simulator和Nios ModelSim；这里选择Nios Hardware作为平台。 具体步骤如下所示：(1) 执行Run-Run命令，弹出Run对话框；(2) 在左边的

28、Configration栏双击Nios Hardware ，出现运行设置对话框，在Main标签页中选择工程名为elec_timer_std，在Target Connection标签页中确认JTAG cable栏中为与目标板相连的下载电缆；(3) 然后单击Run，将程序下载到FPGA中；若没有错误，则按动开发板上的按键，在线测试设计是否满足预定的功能。运行设置对话框程序不可能一次就运行成功，如果需要的话我们可以在线调试程序，具体的调试过程如下，Nios IDE提供了两种调试平台，分别为Nios Hardware和 Nios Instruction Set Simulator；这里选择Nios H

29、ardware作为平台。调试步骤如下：(1) 选择Run-Debug，在弹出的对话框中，确认左边的Configration选中Nios Hardware ，main标签页中选择工程名为elec_timer_std，在Target Connection标签页中确认JTAG cable栏中为与目标板相连的下载电缆；(2) 单击Debug按钮，则启动调试器。Nios IDE在调试界面的Run菜单中提供以下几种调试方式：(1) Step Into（F5）：单步跟踪时进入子程序；(2) Step Over（F6）：单步跟踪时执行子程序，但不进入子程序；(3) Resume（F8）：从当前代码处继续运行；

30、(4) Run to Line（Ctrl+R）：运行到断点停止；3.2.2 将程序和硬件下载到外部Flash中许多Nios 处理器系统都使用外部存储器来存储：程序代码、程序数据、FPGA的配置数据和文件系统。因此可以将程序和FPGA的配置数据下载到Flash中，使系统能够脱机运行。这时我们需要下载程序，程序的下载步骤如下所示：(1) 执行Tools-Flash Programmer命令，启动编程器；(2) 在“Flash Programmer”界面中单击“New”按钮，在Main标签页中选中“Program software project into flash programmer”复选框；

31、在Project栏中填入要下载软件的工程名elec_timer_std；则在Nios ELF Executable中和Target Hardware中均为系统默认选项（不可选）;选中“Program FPGA configuration data into hardware-image region of flash programmer”复选框，并确认在FPGA Configuration（sof）栏中是要下载的硬件目标文件standard.sof ；(3) 单击Program Flash按钮，即可完成对flash的编程。具体的结果如下所示：3.2.3 关键变量说明 程序中定义了下面的变量，

32、下面对变量进行说明：static alt_u8 hour;/小时static alt_u8 minute;/分钟static alt_u8 second;/秒static alt_u16 year;/年份static alt_u8 month;/月份static alt_u8 day;/日期static alt_u8 max_day;/当前月份最后一天时间变量static int flag;/设置按键标志变量static int begin;/是否开始计时标志变量volatile int edge_capture; /按键响应变量，针对Button PIO， 被volatile修饰，代表了某个

33、被按下的键，程序中采用volatile修饰变量edge_capture ，这是操作系统内核编程经常用到的一个修饰关键字。如果将变量加上volatile修饰，则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化。一般说来，3.2.4 操作lcd 的设计系统中使用了Altera提供的一个极其简易的lcdOptrex16207，在官方文档Altera Embedded Peripherals中，能找到所提供的应用程序的操作接口。已给的lcd驱动，支持应用程序以文件读写的方式控制这个字符类设备（文件读写只对字符类设备有效），因此，对lcd的控制代码如下：3.2.5 Button PIO以中断的设计Button

34、PIO以中断的形式与应用程序通信，该设备的初始化程序比较特殊，也是整个软件设计的一个难点。参考Altera官方文档中有关于中断编程的介绍，给出按键初始化程序片断： /在设备初始化时，要进行中断设置、中断处理子程序注册等操作 static void init_button_pio() /强制类型转化，获取一个指向中断寄存器的指针，保存中断的返回值 void* edge_capture_ptr = (void*)&edge_capture; /中断的初始配置 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(BUTTON_PIO_BASE,0xf); /往中断寄存器里写0，重置 IO

35、WR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE,0x0); /注册一个中断处理子程序handle_button_interrupts()alt_irq_register(BUTTON_PIO_IRQ,edge_capture_ptr,handle_button_interrupts);/按键中断处理子程序static void handle_button_interrupts(void* context,alt_u32 id) volatile int* edge_capture_ptr = (volatile int*)context; /通过读寄

36、存器，获取中断的返回值，保存到edge_capture_ptr指向的存储空间中 *edge_capture_ptr = IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE); /往中断寄存器里写0，重置，即允许了下一次，同时结束本次中断处理 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE,0);3.2.6 time.h的设计下面我给出time.h的头文件，具体的设计在后面给出，头文件源码如下：#ifndef _TIME_H_#define _TIME_H_#include “alt_types.h“ /

37、定义了HAL的数据类型#include /定义了I/O库所用到的某些宏和变量#include #include “system.h“ /提供了关于Nios 系统硬件的软件描述#include sys/alt_irq.h#include altera_avalon_pio_regs.h#define ESC 27#define ESC_TOP_LEFT “1;0H“/ LCD第1行第0列#define ESC_COL2_INDENT3 “2;3H“/ 第2行第3列#define ESC_COL2_INDENT2 “2;2H“/ 第2行第2列#define ESC_CLEAR “K“/ 清屏#de

38、fine ESC_COL1_INDENT5 “1;5H“/ 第1行第5列3.2.7 time.c源码设计 在上面的基础上，下面我给出time.c的源代码，代码如下：#include time.h/*1. 函数声明（共21个子函数） */static void init_button_pio();/按键初始化函数static void handle_button_interrupts(void* context,alt_u32 id);/按键中断处理函数static void lcd_init(FILE * lcd);/LCD初始化函数static void initial_time();/时间

39、初始化函数static void last_day(); /获取每个月的最后一天的函数 static void display_day(FILE * lcd );/LCD上显示日期函数static void display_time(FILE * lcd );/LCD上显示时间函数static void handle_button_press(FILE * lcd);/按键处理函数static void timer_set(FILE* lcd);/选择设置对象函数static void clear(FILE* lcd);/LCD清屏函数static void exit_set();/退出设置函数/*函数声明 */ static void set_houri(); /小时数增加函数static void set_hourd(); /小时数减少函数static void set_minutei();static void set_minuted();static void set_yeari();static void set_yeard();static void set_monthi();static void set_monthd();static void set_da