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1、,第四节 典型 Nios II 外围设备简介,4.1 并行输入输出（PIO）,PIO Core是一个可配置的Avalon从外设，提供Avalon从端口和通用I/O端口之间的寄存器映射接口。,Avalon主外设（Nios II）通过读/写PIO的寄存器来控制I/O端口的行为。,每一个PIO最多可提供32个I/O端口，I/O端口可配置成输入、输出和三态方式。配置成输入模式时，可用来检测电平事件和边沿事件，并可申请一个中断。,在一个SOPC系统中，可添加一个或多个PIO Core。,PIO Core的配置在SOPC Builder提供的配置界面中完成。,PIO Core 常用于：配置成输出方式，控制
2、 LED；配置成输入方式，从开关或键盘采集数据；配置成输入方式，检测外部事件，申请一个中断；配置成双向方式，控制LCD显示设备；配置并且与（FPGA）片外逻辑器件通信。,LCD,PIO Core的寄存器,根据PIO配置情况，该寄存器可能不存在，此时的读操作返回不确定值，写无效。写操作，将该寄存器清零。,数据（data）寄存器,数据寄存器的读写硬件逻辑是独立的。虽然只有一个偏移地址，但读写操作是针对两个独立寄存器进行的。,即：读取数据寄存器时，不会返回先前写入的值。,读取数据寄存器将返回输入端口的值。如果PIO配置成只输出方式，读操作将返回不确定值。,写数据寄存器意味着将数据送往输出端口。如果P
3、IO配置成只输入方式，写操作无效。如果PIO配置成双向模式，仅送往方向寄存器为1（输出）对应的输出端口。,方向（direction）寄存器,仅当PIO配置成双向模式时，该寄存器才存在。其它模式下，读操作返回不确定值，写无效。,在双向模式下，方向寄存器控制每个双向I/O端口的数据方向，该寄存器第n位为1时，对应的I/O端口用作输出；该寄存器第n位为0时，对应的I/O端口用作输入。,系统复位时，方向寄存器清零，I/O端口均为输入。如果I/O端口被连接到FPGA器件引脚上，将呈现高阻状态。,中断屏蔽（interruptmask）寄存器,该寄存器只有在硬件配置为输入模式且“Generate IRQ”时
4、才存在。,当该寄存器的第n位置1时，允许对应输入端口中断；置0时，禁止对应输入端口中断。,复位后，该寄存器清零，禁止所有输入端口的中断。,每个PIO Core只有一个中断请求IRQ信号，主外设可以读data寄存器或edgecapture寄存器，进一步判断产生中断的输入端口。,沿捕获（edgecapture）寄存器,当硬件配置有边沿捕获功能时，该寄存器才存在。,当检测到输入端口上的边沿事件（上升沿、下降沿或二者兼有，配置时确定）时，该寄存器的对应位置 1。,对该寄存器的写操作，意味着清全零。,PIO的中断操作,当硬件配置为电平触发中断，只要输入端口出现高电平并且中断使能（即data和interr
5、uptmask对应位均为1），就申请一个中断。,当硬件配置为沿触发中断，只要 edgecapture 和interruptmask 对应位均为1，就申请一个中断。,PIO的IRQ一直保持有效，直到被响应后，主设备发出禁止中断的操作：interruptmask相应位清零或对edgecapture写操作。,主设备的中断服务程序应进一步判断中断源。,SOPC Builder 中 PIO Core 配置选项,Basic Settings标签,设定PIO的端口数量（位宽）132位,设定I/O端口的方向，有四种选择：,PIO配置成输入输出且支持中断,中断屏蔽,边沿捕获,32路输入,32路输出,地址数据控制
6、IRQ,Avalon从端口信号,方向控制,32路,地址数据控制,Avalon从端口信号,PIO配置成双向端口，不支持中断,Input Options 标签,仅当配置中有输入端口时，此标签可用。,在此标签中可选择设定边沿事件类型：上升沿、下降沿、上升沿或下降沿,在此标签中还可选择设定是否支持中断：电平型只要输入为高电平且中断使能，则产生 IRQ。若希望低电平时中断，则应在输入端加“非门”。边沿型只要edgecapture不为零且中断使能，则产生 IRQ。,软件编程,PIO Core提供头文件 altera_avalon_pio_regs.h,这个文件中定义了PIO Core的寄存器映射并提供硬件
7、设备访问宏定义。,例如：读数据寄存器button=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE);,例如：写数据寄存器IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE，DATA);,4.2 通用异步收发器（UART）,实现SOPC系统与外部器件之间的符号流通信。UART核实现了RS-232协议。用户可配置选择波特率、校验位、停止位、数据位以及RTS/CTS控制信号。Avalon主外设通过读/写寄存器，与UART核通讯。,RS-232接口,UART内核实现RS-232协议的异步发送和接收，通过TXD发送串行数据，通过RXD接收串
8、行数据。,由于大部分FPGA器件的I/O引脚为TTL或CMOS电平，不符合RS-232电平要求，因此需要一个电平转换电路。,发送逻辑,UART的发送器由7/8/9位发送数据寄存器、7/8/9位发送移位寄存器以及相应控制逻辑组成。,Avalon主设备将数据写入发送数据寄存器，发送逻辑自动将发送数据寄存器内容装入发送移位寄存器，并从最低位开始通过TXD移出。,发送逻辑根据RS-232规范，在串行数据流中自动插入正确的起始位、校验位和停止位。,发送数据寄存器和发送移位寄存器提供双重缓冲。主设备可在前一个字符正在移出时，将新数据写入发送数据寄存器。,主设备可通过状态寄存器中的发送准备好（TRDY）位、
9、发送移位寄存器空（TMT）位和发送溢出错误（TOE）位监视发送器的工作。,接收逻辑,UART的接收器由7/8/9位接收移位寄存器、7/8/9位接收数据寄存器以及相应控制逻辑组成。,接收逻辑将RXD上的串行数据移入接收移位寄存器，每当新字符完全接收后，自动装入接收数据寄存器，并准备接收下一个字符。,主设备从接收数据寄存器中获取接收到的字符。并可通过状态寄存器中接收准备好（RRDY）、接收溢出错误（ROE）、间断检测（BRK）、校验错误（PE）和帧错误（FE）监视接收器的工作。,接收逻辑根据RS-232规范，在串行数据流中自动检测正确的起始位、校验位和停止位。并检查接收中的4种异常，设置状态寄存器
10、中的对应位。,波特率生成,通过对Avalon总线时钟的分频，可获得UART内核的波特率时钟。,分频值的来源：系统生成时的指定的一个常量值（系统采用固定波特率，硬件中不包含波特率除数寄存器）波特率除数寄存器中的16位值（系统可通过软件改变波特率）,UART内核的寄存器,保留位是否存在，取决于硬件配置写0到状态寄存器将清零DCTS、E、TOE、ROE、BRK、FE、PE是否存在，取决于硬件配置,接收数据寄存器（Rxdata）,新字符从RXD输入，经接收移位寄存器完全接收后，保存到Rxdata中，并将状态寄存器的RRDY位置1。,当主设备从Rxdata中取走数据后，状态奇存器的RRDY位清零。,若R
11、xdata中的数据没有被主设备取走（RRDY=1），又有新字符输入，则发生溢出错误，状态寄存器的ROE位置1。新数据覆盖Rxdata中的原内容。,发送数据寄存器（Txdata）,主设备把需要发送的字符写入Txdata，此时，状态寄存器的TRDY=0；当Txdata内容被传送到发送移位寄存器时，TRDY=1。,只有TRDY=1时，才能写下一个需要发送的字符到Txdata。,除数寄存器（Divisor）,如果配置时选择使用Divisor，则可写入分频值，动态调整波特率。,这一点通常用于波特率自适应设备。,状态寄存器（Status）,控制寄存器（Control）,控制寄存器的每一位用于使能状态寄存器
12、中对应位的中断。,即：当状态位及其对应的中断使能位都为1时，UART内核产生一个中断。,例如：状态寄存器中的PE=1时，表示发生了校验错误。若控制寄存器中对应的IPE位为1，则可发出一个中断，请求主设备的服务；若IPE=0，则禁止校验错时的中断请求。,SOPC Builder 中UART内核的配置,若选择，硬件包含Divisor寄存器。可写入新值改变波特率。,提供RS-232协议标准波特率设置选择，也是复位时的默认值。,设置校验方式,设置数据位宽,设置停止位,流控制选择（硬件握手）,与DMA配合的流数据控制选择（含有包结束符寄存器）,UART的软件编程,寄存器级访问,altera_avalon
13、_uart_regs.h,定义内核的寄存器映射并提供硬件设备访问宏定义。,通过HAL API和ANSI C标准库访问UART,altera_avalon_uart.haltera_avalon_uart.c,实现了HAL系统库的UART内核设备驱动程序。,快速驱动程序（默认）：中断方式小型驱动程序：查询方式,使用ANSI C标准库函数发送和接收字符,/识别字符t和v的简单程序#include#include int main()char*msg=“detected the character t.n”;FILE*fp;char prompt=0;fp=fopen(“/dev/uart1”,“r
14、+”);if(fp)while(prompt!=v)prompt=getc(fp);if(prompt=t/如接收到 t 则打印 fwrite(msg,strlen(msg),1,fp);fprintf(fp,“closeing the UART file.n”;fclose(fp);return 0;,4.3 定时器（TIMER）,用户可见6个16位寄存器的Avalon接口和一个脉冲输出端主设备写控制寄存器 进行启、停操作；选择计数模式：单次减1计数或连续减1计数；使能/禁止Timer中断。主设备写周期寄存器，可改变Timer的定时周期主设备可从状态寄存器获得Timer的当前状态主设备可分两
15、步随时读取内部计数器的当前值 先写当前值寄存器，发起请求，控制逻辑将计数器的当前值复制到 当前值寄存器；再读当前值寄存器，即可获得。内部计数器是减1计数，当减到0时，从周期寄存器中重新载入初值。当计数器减到0时：若允许中断，则产生中断请求；可选择是否输出一个脉冲；若配置选择看门狗功能，则产生复位请求，引起系统复位。,Timer 的功能特点：,状态寄存器,控制寄存器,中断控制与操作,只要内部计数器减到0（状态寄存器TO=1）且控制寄存器的ITO=1（允许中断），则定时器内核产生一个IRQ。用户可用下列方式应答IRQ。,清除状态寄存器的TO位，等待下一次超时事件发生；将控制寄存器ITO位清零，禁止
16、中断。,SOPC Builder 中 Timer 的配置,设置周期寄存器初值。若以s、ms、s为单位，系统生成时计算填写；若选clocks，则需填写初值。,简单的周期中断方式，适用于仅要求周期性IRQ发生器的系统，固定周期且不能停止定时器，但可禁止中断。,全特性方式，可生成一个具有可变周期、可启停的全特性定时器。,看门狗（watchdog），便于软件运行“飞出”时的系统复位。,选择时，硬件包括周期寄存器，主设备可通过写周期寄存器改变计数周期。,选择时，硬件包括当前值寄存器，主设备可随时读取计数器的当前值。,选择时，可程序控制定时器的启动、停止；否则定时器连续运行。但在看门狗方式下，START必
17、存在。,选择时，定时器计数到0，输出一个脉冲，脉宽为一个时钟周期。,选择时，内核包括Avalon从端口信号resetrequest。只要计数器减到0时，产生复位请求，复位整个系统。通过写START可重启。,定时器（Timer）的软件编程,Altera公司在HAL系统库中提供了两种定时器设备模型：系统时钟定时器和时间戳定时器。,用户尽量使用 HAL API 访问定时器，而不是访问定时器的寄存器。,altera_avalon_timer_regs.h 定义内核的寄存器映射，并提供硬件设备访问宏定义。,altera_avalon_timer.haltera_avalon_timer_sc.calte
18、ra_avalon_timer_ts.caltera_avalon_timer_vars.c,4.4 SDRAM控制器,基本性能,可连接一个或多个SDRAM芯片的接口。自动完成刷新操作、行列管理。用户可像使用SRAM一样，使用SDRAM。可配置成不同的数据宽度、存储容量。提供多片SDRAM结构下的独立片选信号。支持读、写传输的等待。主设备读连续地址时，第一个数据在等待时间的初始周期后返回，后续读操作在每个时钟周期产生新数据。由于定时刷新操作，不保证每个时钟周期返回数据。可选择与其它片外三态器件共享地址、数据、字节使能。,SDRAM控制器连接一片或多片SDRAM芯片示例,SOPC Builder
19、 中 SDRAM 控制器的配置,如果实际使用的SDRAM器件型号与列表中一致，则可直接选择。匹配参数自动填入。,如果列表中没有相应的SDRAM器件型号，则应根据数据手册给出的参数进行定制（custom）。,设置数据总线宽度。即系统生成时，dq（数据）和 dqm（字节使能）的宽度。,确定SDRAM存储器子系统需要的片选信号的数量,SDRAM器件的分区数量（页地址），它决定系统生成时 ba 信号的宽度。,页内行地址数，允许值11、12、13、14，默认值12（即212=4096行）。系统生成时决定addr的宽度。,页内列地址数，允许值8且小于行的值，默认值8（即28=256行）。,在读、写时，行、列地址分时复用addr。,若选择，则addr、dq、dqm引脚在系统内可与三态桥共享。,若选择，则SOPC Builder 创建SDRAM器件的功能仿真模型。,时序配置，根据数据手册填写。,
