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1、第2章 SOPC硬件开发环境及流程,2.1 SOPC开发流程和开发工具,SOPC设计包括硬件和软件两部分。硬件设计：基于Quartus II和SOPC Builder 软件设计：基于Nios II IDE 仿真：ModelSim DSP的开发:Matlab和DSP Builder,开发环境：Quartus II 6.0(8.0)SOPC Builder 6.0(8.0)Nios II IDE 6.0(8.0)基于Cyclone II 的SOPC开发板,Quartus完成NiosII整个系统的设计、分析、综合、硬件优化和适配配置文件编程下载、硬件系统测试 SOPC BuilderNIOSII 系
2、统硬件开发环境实现Nios II系统配置和生成Nios II系统相关的监控和软件调试平台的生成 IDE完成基于Nios II系统的软件开发和调试将FPGA配置信息写入Flash或者EPCS,SOPC Builder,Nios II IDE,Quartus II 8.0,Altera,名词解释-与SOPC相关的名词,Quartus II:Altera公司的第四代可编程逻辑器件集成开发环境，提供从设计输入到器件编程的全部功能。,Quartus II?,Quartus II 5.0 软件界面,双击Quartus II图标,名词解释-与SOPC相关的名词,SOPC Builder:功能强大的基于图形界
3、面的片上系统定义和定制工具。SOPC Builder库中包括处理器和大量的IP核及外设。,SOPC Builder包含在Quartus II软件中,SOPCBuilder?,启动:Quartus II Tools SOPC Builder,名词解释-与SOPC相关的名词,Nios II:Nios II系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以Nios II IDE下完成，包括编辑、编译和调试程序。,Nios II IDE 软件界面,Nios II IDE?,双击Nios II IDE图标,ModelSim：HDL仿真软件，对设计的硬件系统进行RTL级的仿真。DSP Builde
4、r：Altera公司的数字信号处理软件，实现算法和硬件的无缝过渡，可以在Matlab的Simulink中完成算法的仿真、验证，后通过SignalCompiler将模型文件转换成硬件描述语言。,采用NIOS II处理器设计嵌入式系统的流程：1.分析系统需求说明，包括功能需求和性能要求等；2.建立Quartus II工程，建立顶层实体；3.SOPC Builder生成用户定制的系统模块（NIOS II+？）4.将NIOS II系统模块集成到硬件工程中，添加一些模块，可以是 Altera公司提供的LPM(logic programmable module)宏功能块或用户自己定制的模块；5.在顶层实体
5、中，将NIOS II系统模块、Altera的LPM或用户自定 义的逻辑模块连接起来；,2.1 SOPC开发流程和开发工具,6.分配引脚(Tcl脚本语言)和编译工程，编译生成系统的硬件配置文件.sof和.pof文件；（二者区别：SRAMEEPROM）7.下载工程，将配置文件下载到开发板上进行验证；（可选）8.使用IDE开发环境进行软件开发 9.编译软件工程，生成可执行文件.elf;10.调试程序，将硬件配置文件下载到开发板，将可执行文件 下载到RAM，软硬件协同工作。,每个开发过程开始时都应建立一个工程，Quartus II是以工程的方式对设计过程进行管理。在工程中建立顶层模块文件.bdf相当于
6、传统电路设计中的电路板（PCB）。,SOPC开发流程简图,分析系统需求,NiosII内核,&标准外设,定制指令&定,制外设逻辑,硬件抽象层,(HAL)&外设,驱动程序,用户C/C+应,用程序代码,和定制的库,自定义的,功能模块,建立Quartus II工程，,建立顶层图*.bdf,打开SOPC Builder,定义和生成系统,集成SOPC生,成的系统到,Quartus II工程,使用Nios II,IDE开发软件,Altera的,LPM模块,连接各,功能模块,选择FPGA型号,并进行管脚分配,进行编译,选项设置,编译硬件系统,生成配置文件sof,编译软件,生成可执,行文件elf,在目标板上,下
7、载可执行,软件到,Nios II系统,下载配置文件到,FPGA器件,在目标板上运,行/调试软件,调试好的,硬件和软件,在IDE中使用,ISS运行/调试,软件,设置软件运行,硬件环境属性,使用IDE编程工具,烧写配置文件和,软件代码,在SOPC Builder中添加需要的功能模块（Nios II及其标准外设模块），完成后生成一个系统模块。,如果需要，用户可以定制指令和外设逻辑。(可参考第8章),在进行SOPC开发之前，首先必须确定系统的需求:如系统需求的性能、CPU软核类型（硬件乘法器？）外围器件和数量、需要的带宽和吞吐量、需求的接口类型以及DMA通道数量等。,SOPC开发流程简图,分析系统需求
8、,NiosII内核,&标准外设,定制指令&定,制外设逻辑,硬件抽象层,(HAL)&外设,驱动程序,用户C/C+应,用程序代码,和定制的库,自定义的,功能模块,建立Quartus II工程，,建立顶层图*.bdf,集成SOPC生,成的系统到,Quartus II工程,使用Nios II,IDE开发软件,Altera的,LPM模块,连接各,功能模块,选择FPGA型号,并进行管脚分配,进行编译,选项设置,编译硬件系统,生成配置文件sof,编译软件,生成可执,行文件elf,在目标板上,下载可执行,软件到,Nios II系统,下载配置文件到,FPGA器件,在目标板上运,行/调试软件,调试好的,硬件和软件
9、,在IDE中使用,ISS运行/调试,软件,设置软件运行,硬件环境属性,在Quartus II软件中包含了大量的Altera公司提供的LPM功能模块，相当与传统设计中除处理器以外的逻辑芯片(如74系列)；,打开SOPC Builder,定义和生成系统,在顶层模块中，分别将SOPC Builder生成的系统模块、LPM功能模块以及用户自定义功能模块添加到顶层模块中;,然后将各个功能模块用连线连起来组成系统功能原理图。,这个两过程类似传统电路设计中，将所有要使用的芯片焊接到电路板上，然后通过PCB上的连线将各个芯片连接起来，组成电路系统。,使用IDE编程工具,烧写配置文件和,软件代码,根据系统要求，
10、设计自己的逻辑功能模块。并在顶层模块中使用；,SOPC开发流程简图,分析系统需求,NiosII内核,&标准外设,定制指令&定,制外设逻辑,硬件抽象层,(HAL)&外设,驱动程序,用户C/C+应,用程序代码,和定制的库,自定义的,功能模块,建立Quartus II工程，,建立顶层图*.bdf,集成SOPC生,成的系统到,Quartus II工程,使用Nios II,IDE开发软件,Altera的,LPM模块,连接各,功能模块,选择FPGA型号,并进行管脚分配,进行编译,选项设置,编译硬件系统,生成配置文件sof,编译软件,生成可执,行文件elf,在目标板上,下载可执行,软件到,Nios II系统
11、,下载配置文件到,FPGA器件,在目标板上运,行/调试软件,调试好的,硬件和软件,在IDE中使用,ISS运行/调试,软件,设置软件运行,硬件环境属性,打开SOPC Builder,定义和生成系统,为系统原理图，选择载体并为各个输入输出信号分配管脚；,设置编译选项，从而让编译器按照用户设定来进行编译；,编译系统生成硬件系统的配置文件*.sof和*.pof。编译系统是一个非常复杂的过程，包括优化逻辑的组合、综合逻辑、适配FPGA、布线以及时序分析等步骤。,使用IDE编程工具,烧写配置文件和,软件代码,SOPC开发流程简图,分析系统需求,NiosII内核,&标准外设,定制指令&定,制外设逻辑,硬件抽
12、象层,(HAL)&外设,驱动程序,用户C/C+应,用程序代码,和定制的库,自定义的,功能模块,建立Quartus II工程，,建立顶层图*.bdf,集成SOPC生,成的系统到,Quartus II工程,使用Nios II,IDE开发软件,Altera的,LPM模块,连接各,功能模块,选择FPGA型号,并进行管脚分配,进行编译,选项设置,编译硬件系统,生成配置文件sof,编译软件,生成可执,行文件elf,在目标板上,下载可执行,软件到,Nios II系统,下载配置文件到,FPGA器件,在目标板上运,行/调试软件,调试好的,硬件和软件,在IDE中使用,ISS运行/调试,软件,设置软件运行,硬件环境
13、属性,打开SOPC Builder,定义和生成系统,软件开发也可以在SOPC Builder 生成系统模块后立即进行！(。PTF文件：硬件系统配置)与传统软件开发类似，唯一不同在于系统是自己定制的，所受局限小！,使用IDE编程工具,烧写配置文件和,软件代码,SOPC开发流程简图,分析系统需求,NiosII内核,&标准外设,定制指令&定,制外设逻辑,硬件抽象层,(HAL)&外设,驱动程序,用户C/C+应,用程序代码,和定制的库,自定义的,功能模块,建立Quartus II工程，,建立顶层图*.bdf,集成SOPC生,成的系统到,Quartus II工程,使用Nios II,IDE开发软件,Alt
14、era的,LPM模块,连接各,功能模块,选择FPGA型号,并进行管脚分配,进行编译,选项设置,编译硬件系统,生成配置文件sof,编译软件,生成可执,行文件elf,在目标板上,下载可执行,软件到,Nios II系统,下载配置文件到,FPGA器件,在目标板上运,行/调试软件,调试好的,硬件和软件,在IDE中使用,ISS运行/调试,软件,设置软件运行,硬件环境属性,打开SOPC Builder,定义和生成系统,设置好软件运行的硬件环境属性后，便可进行编译、链接和调试、运行程序。,对用户程序进行编译，生成可执行文件*.elf。,在IDE的指令集仿真器(ISS)上仿真软件和运行/调试软件。(可选),将配
15、置文件.sof下载到FPGA，将可执行文件.elf下载到RAM。,在目标板上反复调试软件。,直到硬件和软件设计都达到设计要求。,最后利用IDE的编程工具将配置文件烧写到FPGA的配置芯片或Flash，将可执行文件*.elf编程到Flash中,使用IDE编程工具,烧写配置文件和,软件代码,SOPC硬件开发流程,从开发套件提供的外设列表 中选取合适的CPU、存储器及外围器件,定制和配置其功能；,分配外设地址及中断号；设定复位地址；,生成系统。,添加用户自身定制指令逻辑 到NiosII内核加速CPU性能,添加用户自己设计的IP模块。,编译，综合，布局布线，从 HDL源文件综合成一个适合 目标器件网表
16、，生成FPGA 配置文件(.sof)；,用下载电缆将配置文件下载 到目标板。调试完成后，将 硬件配置文件下载到目标板 的非易失存储器(如flash)。,2.2 SOPC硬件开发实例,电子钟的设计第一步是要进行需求分析，建立系统 在液晶屏上显示日期、时间；可以设置日期、时间；根据系统要求，设计要用到的外围器件 LCD：电子钟显示屏幕；按键：电子钟设置功能键；Flash存储器：存储软、硬件程序；SRAM存储器：程序运行时将其导入SRAM。根据所用到的外设、功能以及开发板的配置，在SOPC Builder中建立系统要添加的模块包括 Nios II CPU、定时器、按键PIO、LCD控制器、AVALO
17、N三态桥、外部RAM接口、外部Flash接口。,2.2.1 创建工程,进行完需求分析之后，进行硬件系统的创建。首先必须建立一个Quartus II 的工程，步骤如下：1.启动Quartus II软件；2.选择File菜单New Project Wizard，出现Introduction页面，该页面介绍所要完成的具体任务，点击next。,2.2 SOPC硬件开发实例,2.2.1 创建工程,2.2.1 创建工程,注意1：工程名和顶层实体名字一致,注意2：路径、工程名、顶层实体名均为英文,3.目录、顶层实体名和工程名,2.2.1 创建工程,4.可以为工程添加先期已经输入的设计文件，指定用户自定义的元
18、件库的路径。,2.2.1 创建工程,5.指定目标器件，根据开发板使用的器件来选择。,注意3：器件型号CycloneIIEP2C35F672C8,2.2.1 创建工程,6.指定在Quartus II 之外的用于设计输入、综合、仿真、时序分析的第三方EDA工具。(Precision SynthesisSynplify等),7.新工程的信息。在设计的过程中，还可以通过菜单assignmentSettings来对这些配置进行修改。,8.点击Finish按钮，Quartus II自动会打开这个工程，可以看到顶层实体名出现在工程导航窗口中。,2.3 创建Nios II 系统模块,创建顶层实体创建Nios
19、II系统模块：NIOS II 嵌入式处理器，添加、配置系统的外设IPNios II 系统模块+其他片上逻辑+用户逻辑:加入顶层实体,2.3.1 创建顶层实体,（1）选择FileNew；在Device Design File页中，选择Block DiagramSchematic File，即原理图文件(也可以选择硬件描述语言的文件形式),单击OK。,2.3.1 创建顶层实体,（2）选择FileSave As，显示的目录为之前设置的工程目录，文件名为之前设置的顶层实体名.,2.3.2 创建Nios II系统模块,使用工具:SOPC Builder Nios II系统模块：Nios II处理器 和相
20、关的系统外设。创建系统模块的流程:先创建一个系统，然后添加Nios II CPU和外设IP，生成实例或者模块，加入到工程的顶层实体。,SOPC Builder,2.3.2 创建Nios II系统模块,一、创建系统 启动SOPC Builder（ToolsSOPC Builder）,注意4：系统名称,二、设置系统主频和指定目标FPGA设置系统的时钟频率版本6.0：在Target栏中的Board部分指定核心开发板Cyclone II（EP2C35）。（IDE:flash 器件编程）版本8.0：在Device Family选择Cyclone II。（注意5！）,三、加入Nios II CPU和 IP
21、模块 首先加入Nios II软核1.Avalon Components 下面选择Nios II Processor；2.双击或者右键 Add，出现Nios II CPU的配置向导,根据需要选择Nios II核Hardware Multiply选择none，不选择Hardware Divide 注意6：Embedded Multipliers：使用专门的内嵌硬件乘法单元（乘法速度最快）。Logic Elements，使用逻辑单元也就是FPGA中的查找表（速度较慢）。None：只能通过软件模拟乘法，速度最慢。,点击Next，进入缓存设置窗口；可设Instruction Cache为4Kbytes，
22、Data Cache 2Kbytes,Advanced Features设置不选择Include cpu_resetrequest and cpu_resettaken signals（注意7：resetrequest该复位信号仅复位处理器。处理器在收到该信号后，先执行完 流水线的所有指令，然后进入复位状态。处理器在复位完成后会使cpu_resettaken信号生效一个时钟周期）点击Next进入MMU and MPU设置。(Quartus 8.0)(注意8:存储器管理单元 MMU和存储器保护单元 MPU),JTAG调试级别选择 选择Level1：该级别支持软件的断点调试。JTAG调试模块要占用
23、较多的逻辑资源，系统调试完毕了可以选用No Debugger,自定义指令的设置，不作任何的设置。点击Finish完成NIOS II处理器的添加处理器的编辑和修改,添加其它外设IP模块,除了Nios II CPU，电子钟设计需要添加的IP模块包括：TimerButton PIOLCD控制器External SRAM 总线External Flash 总线External SRAM 接口External Flash 接口,1.添加定时器（1）如图选Interval Timer并双击，向导窗口出现；(注意9),（2）配置定时器，点Finish，完成定时器的添加。可重命名。,2.添加Button PI
24、O（1）在Basic Settings，设width？direction？（2）在Input Options，Edge Capture Register选中 Synchronously Capture，选择Either Edge；（3）点击Finish完成，重命名,3.添加LCD控制器（1）如图选Character LCD(Optrex 16027)，双击。（注意10）（2）Module Name下出现，lcd_16027_0;（3）将其重命名lcd_display。,4.添加外部RAM接口（1）如图单击Add，出现SSRAM（Cypress CY7C1380C）向导（2）设置Read Lat
25、ency和Memory Size（3）Finish完成，重命名为ext-ssram。,5.添加外部闪存接口（1）前图双击，外部flash接口；（2）在Attributes中，Presets列表中选择相应的flash。（3）若所使用Flash没有在列表中：自定义宽度和时序,6.添加外部RAM和flash总线（Avalon三态总线桥）Nios II 系统与外部存储器通信，要在Avalon总线和外部存储器之间加入Avalon三态桥。(1)如图选择Avalon Tri-State Bridge，点击Add，出现向导；(2)Registered选项默认为选中；重命名为ext_ssram_bus;(3)再
26、添加一个Avalon三态总线桥，重命名为ext_flash_bus.,7.Nios II系统的连接(注意11)所有添加的IP连接是系统自动完成的。对于三态桥和外部存储器接口的连接，系统的自动连接可能和用户的开发板不匹配，用户需要进行手动的更改。主要是外部RAM接口要和RAM的三态桥连接，外部的Flash接口要和flash的三态桥连接。针对用的开发板的情况进行的设置，实验用的开发板SRAM和flash没有使用共用的数据线和地址线。所以必须为它们分别添加一个三态桥。,2.3.3分配IP模块的地址和中断号,SOPC Builder为各个IP模块分配了一个默认的基地址，用户可以改变这些地址。如果分配的
27、地址出现冲突，如下：,（1）自动分配地址：System菜单的Auto Assign Base Address（2）手动分配地址：Flash外设的Base栏，将地址改为0 x0，如果 冲突SOPC Builder会出现错误的提示。（3）锁定地址：选择Module菜单中的Lock Base Address,（4）手动修改外设的中断号：号越小，优先级越高（5）自动分配中断号：选择System菜单中的Auto Assign IRQs。建议采用手动的分配。,注意：!,2.3.4 配置NIOS II 系统,Reset Address：选择存放Boot Loader的存储器和设置Boot Loader在存储
28、器中的偏移。选择ext_flash，偏移选择默认；Exception Address：选择存放异常向量表存放的存储器和异常向量表在存储器偏移,选择ext_ssram，偏移选择默认；,2.3.5 生成NIOS II并加入到工程中,单击System Generation若选中 Simulation，生成用于仿真的相应的文件。点 Generate，SOPC Builder提示生成系统的进程，需3-4分钟,系统生成完成后，SOPC Builder为这个定制的NIOS II系统模块创建了一个符号，Nios II系统再加入到工程中：（1）打开顶层实体（BDF），任意处双击，出现 Symbol对话框（2）在
29、Symbol对话框中单击Project来展开工程目录，其下出现 NIOS2，选中它，右侧出现了系统的符号表示；（3）点OK，NIOS2出现在BDF窗口中，创建的系统加入到工程,2.3.6 加入引脚和嵌入式锁相环,嵌入式锁相环有两个时钟输出，一个输出SSRAM提供时钟，另一个时钟的输出为NIOS II CPU提供时钟.,加嵌入式锁相环步骤如下：(1)点击ToolsMegaWizard Plug-In Manager，出现MegaWizard Plug-In Manager向导窗口,点击next,IO下面选择ALTPLL，器件选择Cyclone II，输出文件类型选择VHDL，文件名为ssram_
30、pll,引脚添加（1）顶层实体的bdf窗口的空白处双击鼠标，出现Symbol添加窗口，选择pin，选择相应类型的引脚，点击OK。（2）点击bdf窗口的空白处，即将引脚加入到了工程中。（3）重复上面的步骤添加为各个端口添加相应类型的引脚。（4）命名引脚方法：双击引脚的“pin_name“，对其编辑。对于总线型的引脚，引脚名称+总线位数：如ddr_a12.0,将嵌入式锁相环和系统模块等连接起来，将引脚连接到相应的端口上。,2.4设计优化,设计优化：节省占用FPGA的面积和提高系统速度。“面积”；“速度”是指设计的系统在目标芯片上稳定运行时能够达到的最高频率,1.面积与速度的优化,选择Assignm
31、ent菜单下的Settings命令在Analysis&Synthesis Settings:Optimization Techniques栏中，有Speed、Balanced和Area3种优化选择，Balanced是软件缺省的优化选择。,2.时序约束与设置,选择Settings下面的Timing Analysis Settings选择Classic Timing Analyzer Settings。可以根据目标芯片的特性及PCB板走线的实际情况，给出设计需要满足的时钟频率、建立时间、保持时间和传输延迟时间等参数。简单应用，不需要！,2.5 编译,Quartus II编译器由一系列处理模块组成包
32、括:分析与综合、适配、汇编和时序分析等。编译设置：合理编译的设置可以提高工程编译的速度，优化器件的资源利用，甚至降低系统的功耗！,！编译之前须对未使用的引脚做设置：将未使用的引脚设置成As inputs，tri-stated。,步骤（注意）：（1）在Settings对话框中的Device中，单击Device and Pin Options，出现Device and Pin Options。（2）单击Unused Pins，在Reserve all unused pins下选择，As inputs，tri-stated。,2.5.1 引脚分配,引脚分配：使编译器能把设计的信号分配到目标器件上的特
33、定引脚上。两种引脚分配方法：第一种：使用Assignments Editor或pins 或 pin planner第二种：使用TCL脚本一次性分配所有的引脚,（1）选Assignments菜单中的 pins 或 pin planner或 Assignments Editor。（2）在Node Name下输入引脚名称，在Location选择 相应的引脚。（3）选择FileSave保存分配。这种分配方法效率较低，适合较少管脚的分配。,1.Assignments Editor,(1)选择project下的generate Tcl file for project.名字：pin.tcl(2)打开标准工
34、程（.80.），下的standard.tcl文件(3)把standard.tcl文件中带set_location_assignment指令，并且-to后面的参数与现有工程中使用的管脚名相同的语句 拷贝到pin.tcl文件的下面位置（最后一条set_global_assignment语句后），后保存。,2.TCL脚本文件分配引脚,（4）Tools菜单下，选TCL scripts，出现下图（5）选择建立的引脚分配文件pin.tcl，点RUN即可完成引脚分配。（6）如何查看分配结果呢？,注意：如果管脚名字与standard工程的对应管脚名字不同，不能使用该方法，或者需修改脚本。该方法在有参照工程管脚
35、定义的情况下，节省定义管脚的时间。,2.5.2 编译用户设计,选择Processing菜单中的Start Compilation或点击工具栏中的Start Compilation 按钮进行编译,编译成功之后，出现Compile Report.点击相关内容查看相应的编译信息，如Analysis&synthesis、Fitter、Timing Analyzer等。,注意：NIOS系统发生改动后需重新编译,注意：NIOS系统有变化后需重新编译,2.6 编程下载,编译成功之后，Quartus II 编译器生成配置 两个文件:.sof和.pof.sof文件一般在调试时下载到FPGA的SRAM中.pof文件是用于EPCS的编程文件。实验平台采用的下载线为USB Blaster。,2.6.1下载,如何将生成的.sof文件下载到FPGA中：（1）同过USB Blaster电缆将目标板和计算机相连，接通目标板的电源。（2）在Quartus II软件中选择ToolsProgrammer，打开编程器的窗口，可以看到配置文件clock.sof。,（4）选中Program/Configure，然后点击start开始按钮，开始下载，可以从Progress栏看到下载进度。,说明：USB驱动的安装方法(补充文件),2.6.2验证,硬件下载到FPGA芯片后，可编程测试系统的功能。,2.6.3 启动软件开发环境,
