Nios2 小系统 —— 实验一 . 搭建 Nios2 小系统

Nios2小系统——实验一. 搭建Nios2小系统 华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心王贞炎

实验内容 • 实验名称 • SOPC Builder和Nios2处理器小系统的搭建 • 预备知识 • QuartusII软件使用，单片机/微机原理 • 实验目的 • 了解SOPC系统的一般结构，学会使用SOPC Builder软件搭建Nios2处理器小系统 • 实验内容及方法 • 学习SOPC系统和Nios2处理器的基础知识，学习SOPC Builder的使用； • 使用SOPC Builder创建一个Nios2处理器小系统，包含处理器、调试器、存储系统和输入输出接口。

讲解内容 • SOPC和Nios2介绍 • SOPC系统（Nios2处理器系统）设计 • Nios2处理器(含JTAG调试接口) • System ID • JTAG-UART • 易失性存储器 • 非易失性存储器 • PIO • 在Quartus工程中使用Nios2处理器系统

SOPC和Nios2介绍 • SOPC • System On Programmable Chip • 使用Quartus中的SOPC Builder工具设计 • SOPC系统里一般需要包含Nios2核——Nios2处理器系统 • Nios2处理器 • 软核（用户可配置）处理器 • 使用Nios2 SBT(Software Builder Tools)工具开发软件 • 命令行编译、链接、调试工具 • Eclipse for Nios2集成开发环境

Flash CPU CPU I/O I/O I/O I/O I/O I/O SDRAM DSP DSP FPGA FPGA SOPC和Nios2 • SOPC的优点用可编程逻辑器件代替外部设备

Nios II CPU UART Cache GPIO Debug Avalon Switch Fabric On-Chip ROM Timer SPI On-Chip RAM SDRAM Controller FPGA SOPC和Nios2介绍 • Nios2处理器系统 • Nios2处理器核 • 片上设备（SOPC组件） • PIO、UART、SPI、Timer…… • 片上存储器（SOPC组件） • RAM • 片外存储器控制器（SOPC组件） • SDRAM控制器、DDR SDRAM控制器、CFI控制器、EPCS控制器…… • 片外存储器 • SRAM、SDRAM、DDR SDRAM、NorFlash、EPCS……

UART 0 Timer 0 SPI 0 GPIO 0 DMA 0 MemoryInterface User-Defined SOPC和Nios2介绍 • 典型Nios2系统结构 Instr. On-Chip Debug Core Nios II CPU AddressDecoder Avalon Master/ Slave PortInterfaces Data InterruptController Wait StateGeneration Data inMultiplexer Off-Chip Software Trace Memory Master Arbitration Clock Domain Crossing DynamicBus Sizing Avalon Switch Fabric

SOPC系统设计 • 设计流程

SOPC系统设计 • 设计流程 • 使用Quartus软件建立FPGA工程 • 注意必要的设置，并添加时序约束文件 • 使用SOPC Builder工具设计SOPC系统 • 在FPGA工程中调用SOPC系统 • 在FPGA工程中编写其它逻辑 • 编译工程

SOPC系统设计 • 启动SOPC Builder，为新建的SOPC系统命名

SOPC系统设计 • 更改系统时钟频率，例如：66.666667MHz

SOPC系统设计 • 添加Nios2处理器核 • Core Nios II 页

SOPC系统设计 • 添加Nios2处理器核 • Cache and Memory Interfaces页保持默认 • Advanced Features页保持默认 • MMU and MPU Settings页保持默认

SOPC系统设计 • 添加Nios2处理器核 • JTAG Debug Module 页

SOPC系统设计 • 添加Nios2处理器核 • Custom Instructions 页保持默认

SOPC系统设计 • 添加Nios2处理器核

SOPC系统设计 • 添加System ID（用于软硬件同步）

SOPC系统设计 • 添加JTAG UART（在JTAG调试接口上虚拟的串口）

SOPC系统设计 • 添加SDRAM控制器

SOPC系统设计 • 添加EPCS控制器

SOPC系统设计 • 添加PIO

SOPC系统设计 • 添加完外设的Nios2系统

SOPC系统设计 • 更改Nios2核的复位地址和异常地址 • 复位地址：启动或复位时处理器取指的初始地址，应设置到非易失性存储器 • 异常地址：系统异常向量表的初始地址，应设置到易失性存储器

SOPC系统设计 • Nios2处理器系统与51单片机的存储空间区别 • 程序运行空间 • 51单片机的程序运行空间位于Flash存储器 • Nios2处理器运行速度快，取指和取数据速度快，一般的Flash不能满足其需求，因此需要像SRAM或SDRAM这样的速度较快的存储器作为程序运行空间 • Nios2处理器的异常向量位于程序运行空间的前端，因此指定异常向量的地址就是指定了程序运行空间 • 程序存储空间 • Nios2处理器采用SRAM或SDRAM作为程序运行空间，但是SRAM和SDRAM都是易失性的，因此还需要像Flash这样的非易失性存储器存储程序。上电复位时，Nios2处理器先将程序从存储空间复制到运行空间，然后再从运行空间中运行 • 地址空间 • 51单片机有诸如sfr、data、idata、xdata、code等存储空间，各存储空间独立编址 • Nios2处理器所有的存储器和外设的控制寄存器全部统一编址到2GB的空间

SOPC系统设计 • 自动分配外设基地址(System - Auto-Assign Base Addresses)

SOPC系统设计 • 生成SOPC系统

使用SOPC系统 • 添加新生成的SOPC模块

使用SOPC系统 • 为SDRAM的时钟添加PLL

使用SOPC系统 • 设置锁相环

使用SOPC系统 • 连接好的系统 • 注意添加引脚 • 注意复位按键和FPGA内部复位信号的连接

使用SOPC系统 • 采用tcl脚本分配引脚(Tools – Tcl Scripts) • 需事先在工程目录中准备好DE0Nano的引脚分配文件

使用SOPC系统 • 编译 • 编译整个工程，查看编译报告（Ctrl + R）

Nios2 小系统 —— 实验一 . 搭建 Nios2 小系统