fpga.01-实验一基本知识

SOPC技术及NiosII处理器系统简明实验教程河南理工大学电气学院实验安排★SOPC设计思想及方法★设计工具介绍★自定制外设及加载IP核方法★构建简单NiosII处理器系统的方法★构建NiosII多核处理器系统的方法★在NiosII处理器系统上使用操作系统第一部分SOPC的设计理念和研发环境SOPC技术用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC(Systemonaprogrammablechip)。SOPC是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，具备软硬件在系统可编程的能力。SOPC相关链接：/products/software/products/sopc/sop-index.htmlSOPC结合了SOC和可编程逻辑器件各自的优点，一般具备以下基本特点：●至少包含一个嵌入式处理器内核。●具有小容量片内高速RAM资源。●丰富的IP核资源可供选择。●足够的片上可编程逻辑资源。●处理器调试接口和FPGA编程接口。●可能包含部分可编程模拟电路。●单芯片、低功耗、微封装。

一个基本的SOPC系统SOPC可以将MCU、DSP和FPGA完美结合，即

SOPC=MCU+DSP+FPGA因此，MCU、DSP、FPGA的结合将是未来嵌入式系统发展的趋势。开发工具智能化QuartusII——用于完成NiosII系统的综合、硬件优化、适配、编程下载和硬件系统测试；SOPCBuilder——用于实现NiosII系统的配置、生成；NiosIIIDE——用于软件开发、调试及运行；Matlab/DSPBuilder——可生成NiosII系统的硬件加速器ModelSim——用于对SOPC生成的NiosII系统的HDL描述进行系统功能仿真定制基于avalon的用户外设SOPCBuilder提供一个组件编辑器，用来创建和编辑自己的SOPCBuilder组件。定制逻辑一旦被封装为组件后，在SOPCBuilder中可以像使用其他组件一样使用它。定制组件可共享并重用。第二部分NiosII软核处理器的嵌入式系统设计与实现一、嵌入式系统发展趋势目前一个被普遍认同的对“嵌入式系统”的定义是:以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统=处理器+操作系统软核与硬核的比较有报告指出:预期2010年开始采用FPGA平台进行的设计开发中，3/4将是带软核处理器的。原因主要有四点:1)软核可使用的处理器可最多达100个，而硬核在单个器件上的数量是固定的；2)从Altera的角度说，所有AlteraFPGA产品都支持软核处理器产品，从低成本到高性能产品，从低密度到高密度产品;而能支持硬核的成套产品是固定有限的;3)随着系统日益先进，基于标准处理器的方案会被淘汰，而象NIOSII处理器的方案是基于HDL源码构建的，能够修改以满足新的系统需求避免了被淘汰的命运。将处理器实现为HDL的IP核，开发者能够完全定制CPU和外设，获得恰好满足需求的处理器;相比之下，硬核处理器不可能让客户自己定义指令。4)软核处理器可以实现高性价比的结构对于Altera来说有多种。NiosII软核处理器简介Nios处理器是Altera公司推出的一个32/16位精简指令集处理器软核。在Altera公司提供的软件SOPC中加载Nios核和相应的外围接口以及与定义相应的自定义指令，然后对设计进行综合，下载到FPGA中就可以方便地设计一个具有特定功能的嵌入式处理器。这种设计思路增加了系统设计的灵活性，加快系统运行速度，缩短产品研发和上市时间。

NiosII处理器在线演示链接：/education/demonstrations/online/embedded-processor/onl-nios2.htmlNiosII处理器内核的类型快速型NiosII内核（NiosII/f）具有最高的处理性能，但需要使用的LE数目最多。经济型NiosII内核（NiosII/e）

具有最低的资源利用率（资源占用），占用的LE最少，功能最少。标准型NiosII内核（NiosII/s）

在性能和面积之间平衡使用NiosII处理器的优势提高系统性能在FPGA中可添加一个或者更多的NiosII软核处理器；通过将处理器、外设、存储器和I/O接口集成到一个单一的FPGA中，从而降低系统成本、复杂性和功耗。延长产品的生命周期提供永久的、免费的许可，从而使基于NiosII处理器的产品避免了处理器的更新换代而带来的损失。功能强大、易用的开发工具通过使用NiosII集成开发环境（IDE），加速了软件的开发；利用altera强大的SOPCBuilder系统开发工具和QuartusII设计软件，可在几分钟内设计一个系统。Avalon交换式总线AvalonSwitchFabric是altera公司开发的用于Nios嵌入式处理器的参数化接口总线，由一组预定义的信号组成，是一种相对简单的总线结构。其主要用于连接片内处理器与外设，以构成可编程单芯片系统（SOPC）。它描述了主从构件间的端口连接关系，以及构件间通信的时序关系。采用Avalon交换架构，每个总线主机均有自己的专用互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是总线本身。Avalon交换架构的同时多主机体系结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。

仲裁器Avalon总线的主要设计目标：简单——提供一套容易学习、易于理解的协议。优化总线逻辑资源的使用——减少对可编程逻辑器件（PLD）中逻辑单元（LE）的占用。同步操作——能与片上用户的自定义逻辑更好地集成，从而避免了复杂的时序分析。“NiosII处理器系统”的概念是指，在一个芯片上，它包含一个或多个可配置NiosIICPU软核、与CPU相连接的片内外设和存储器以及与片外存储器和外设相连的接口等。所有组件在一个FPGA芯片上实现所有NiosII处理器系统使用统一的指令集和编程模型。NiosII处理器系统的典型构架NiosII外围设备PIO定时器UARTJTAGUART系统IDDMASDRAM控制器通用Flash接口EPCS控制器PLL和MutexIP核三、基于NiosII处理器的嵌入式系统设计方法处理器库外设库΢HDL源文件΢Testbench综合，布局布线΢用户设计΢其它IP块硬件开发

配置处理器选择并配置外设、IP连接模块产生客户定制指令IP模块验证和调试AlteraPLD片上调试软件开发

΢C头文件΢用户定制库΢外设驱动编译器、连接器、调试器΢用户代码΢库΢实时操作系统NiosIIIDE

GNUPro工具

QuartusII

硬件配置文件

JTAG、串口或以太网

软件跟踪硬断点SignalTapII

可执行代码

SOPC硬件系统开发创建QuartusII工程使用SOPCBuilder创建NiosII系统模块集成NiosII系统到QuartusII工程QuartusII工程编译编程下载（Programmer）使用SOPCBuilder创建NiosII系统模块启动SOPCBuilder进行NiosII系统硬件设计设置目标FPGA及时钟添加CPU和IP模块指定基地址和中断配置NiosII系统生成NiosII系统集成NiosII系统到QuartusII工程创建顶层模块添加NiosII系统模块到QuartusII顶层模块添加引脚和其他基本单元命名引脚及引脚连接选择器件及分配FPGA引脚器件和引脚的其他设置SOPC软件开发使用NiosIII