基于Nios软件实现流水灯+串口输出

基于NIOS-II软核实现流水灯+串口输出

引言：

在现代电子设计领域，FPGA（现场可编程门阵列）因其灵活性和并行处理能力而成为实现复杂数字系统的首选平台。Nios II，作为Altera（现为Intel旗下）提供的软核处理器，为FPGA提供了强大的处理核心，使得FPGA的应用领域得以进一步扩展到嵌入式系统设计。
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本次实验的核心目标是利用Nios II软核处理器的软件编程能力，结合硬件描述语言（HDL）的硬件实现，完成两个基础而经典的任务：流水灯控制和串口数据输出。这不仅将加深对Nios II处理器编程的理解，也将熟悉FPGA硬件的串口通信接口。

流水灯控制部分将通过编写C代码，控制FPGA上的LED灯依次点亮，形成流水灯效果，以此来练习基本的输入输出操作和时间控制逻辑。
串口数据输出部分则要求我通过编写串口通信程序，实现通过串口终端与FPGA之间的数据传输，这将涉及到串口配置、数据发送和接收等关键技术点。

希望你在本次学习过后，能够有一定的收获！！！

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文章目录

基于NIOS-II软核实现流水灯+串口输出
- 一、任务介绍
- - 1) 了解Nios II软核
  - 2) 了解Qsys
  - 3) 实现流水灯
  - 4) 实现串口输出
- 二、Nios II软核
- - 2.1 Nios II软核概述
  - 2.2 Nios II软核特性
  - 2.3 Nios II软核开发工具
  - 2.4 Nios II软核在FPGA设计中的应用
  - 2.5 Nios II软核的学习和使用
- 三、Qsys
- 四、实验流程
- - 4.1 硬件设计
  - - 4.1.2 创建工程
    - 4.1.2 使用Qsys
    - 4.1.3 IP核的连接
    - 4.1.4使用FPGA资源
  - 4. 2软件设计
  - - 4.2.1 打开软件
    - 4.2.1 创建文件
    - 4.2.3 修改实现代码
    - 4.2.4 代码烧录
- 五、实验效果
- 六、实验心得

一、任务介绍

1) 了解Nios II软核

Nios II软核处理器是一款可定制的嵌入式处理器，运行在FPGA内部，由Altera（现为Intel FPGA）提供。它支持多种配置选项，包括不同的流水线级别、缓存大小、中断和异常处理等。了解Nios II软核对于掌握如何利用FPGA进行复杂系统设计至关重要。

目标：

学习Nios II处理器的基本架构和工作原理。
熟悉Nios II软核的开发工具和环境。
理解如何对Nios II软核进行配置以满足特定应用需求。

2) 了解Qsys

Qsys（原名AES）是Altera提供的一种基于图形的集成开发环境，用于快速设计和集成复杂的系统。通过Qsys，可以轻松地将Nios II软核与其他IP核（如内存控制器、外设接口等）集成在一起，形成完整的系统。

目标：

掌握Qsys的基本使用，包括组件的选择、连接和配置。
学习如何通过Qsys生成定制的系统，并将Nios II软核与所需的外设和接口集成。
理解Qsys生成的系统如何映射到FPGA硬件上。

3) 实现流水灯

流水灯是FPGA设计中的一个经典实验，通过控制一组LED灯依次点亮来模拟流水效果。该任务将结合硬件描述语言和Nios II软件编程来实现。

目标：

学习如何在FPGA上实现流水灯的硬件逻辑。
编写C代码，控制LED灯的顺序点亮，形成动态流水灯效果。
掌握基本的输入输出操作和时间控制逻辑。

4) 实现串口输出

串口是一种常用的异步通信接口，广泛应用于嵌入式系统的数据交换。本任务要求通过Nios II处理器实现串口通信，完成数据的发送和接收。

目标：

学习串口通信的基本原理和相关的参数设置（如波特率、数据位、停止位等）。
编写C代码，实现通过串口发送数据到外部设备（如PC机）。
掌握使用Nios II处理器进行串口通信的方法，包括初始化串口、发送数据和接收数据。

二、Nios II软核

2.1 Nios II软核概述

Nios II是应用于Intel FPGA的嵌入式软核处理器，它是Qsys嵌入式系统的核心部件，具有较强的性能和可定制特性。我们可以在一片FPGA内部构建多个Nios II处理器，它们可以作为主CPU，也可以是协处理器，在同一芯片内部协调有序地完成整个复杂系统的各项功能。Nios II处理器内核是32位RISC架构（精简指令集架构）处理器，它包含了大多数现代32位处理器中常见的基本架构元素，包括：

⚫ 32位指令大小

⚫ 32位数据线与地址线

⚫ 32个通用寄存器

⚫ 32个外部中断源

⚫ 可配置的指令高速缓存

⚫ 可配置的数据高速缓存

⚫ 用于集成定制外设的通用接口

Nios II处理器的结构框图如下所示，从图中我们还可以看到，Nios II提供了JTAG接口

供用户下载和调试程序。

2.2 Nios II软核特性

Nios II软核提供了一系列高级特性，包括：

流水线架构：支持从三级到八级流水线的配置，以平衡性能和资源消耗。
哈佛架构：具有独立的指令和数据缓存，提高了数据访问速度。
中断和异常处理：支持多达32个中断源和异常处理，增强了系统的响应能力。
丰富的外设支持：包括定时器、串口、JTAG调试等标准外设。
定制指令：允许用户根据自己的需求添加定制指令，进一步提升性能。
低功耗设计：优化了功耗管理，适合电池供电的便携式设备。

2.3 Nios II软核开发工具

开发Nios II软核应用程序涉及到以下工具：

Nios II集成开发环境（IDE）：提供了代码编辑、编译、调试和性能分析的集成解决方案。
Qsys：一个基于图形的系统构建工具，用于快速集成Nios II软核与其他IP核。
Nios II C/C++编译器：用于将编写的C/C++代码编译成FPGA可执行的机器代码。
Nios II硬件仿真模型：在仿真环境中模拟Nios II软核的行为，便于早期设计验证。

2.4 Nios II软核在FPGA设计中的应用

在FPGA设计中，Nios II软核可以用于：

控制逻辑实现：通过编写C/C++代码实现复杂的控制逻辑，减轻硬件逻辑设计的负担。
数据处理：利用Nios II软核的计算能力，处理来自传感器或其他外设的数据。
通信协议处理：实现各种通信协议，如SPI、I2C、Ethernet等。
用户界面管理：通过连接显示器或其他输出设备，提供用户交互界面。
系统集成：作为系统的核心，集成多种外设和功能，构建完整的系统解决方案。

2.5 Nios II软核的学习和使用

为了充分利用Nios II软核的能力，需要：

理解计算机组成原理：掌握处理器的基本工作原理，包括指令执行、内存管理等。
学习Nios II体系结构：熟悉Nios II软核的特定特性和编程模型。
实践编程技能：通过编写和调试C/C++代码，提高软件编程能力。
掌握系统设计方法：学习如何使用Qsys工具进行系统级别的设计和集成。

通过深入学习和实践，可以充分发挥Nios II软核在FPGA设计中的潜力，实现高效、可靠的定制化系统解决方案。

三、Qsys

Qsys是什么

Qsys的前身是“SOPC Builder”，在最新的Quartus版本中，Qsys再次被升级为“Platform Designer”。因此在我们看到“Platform Designer”时，要知道它实际上就是我们所常用的Qsys。

Qsys是Quartus II中的一个系统集成工具，它是用来搭建、开发以及维护“系统”的平台，这个系统通常是指以Nios II处理器为核心的嵌入式系统，当然它也可以不包含Nios II处理器。我们知道，嵌入式开发需要同时具备硬件环境和软件程序，Qsys就是用来创建硬件环境的。它不同于ARM、单片机等处理器的固定硬件环境，而是可以根据自己的需求来搭建硬件环境，这也这是它的独到和创新之处。一个基本的Qsys系统框图如下所示：

利用Qsys所搭建的一个基本的嵌入式系统包含系统时钟、Nios II处理器、JTAG接口、ROM和RAM等。其中，Nios II处理器是Qsys系统中最为核心的一个IP核，它是系统的调控中心，负责中断分配、地址管理、内存调度等控制任务。而GPIO（通用输入输出接口）、SDRAMController等外设控制器负责与外部设备连接，控制外设的行为。Nios II和各个外设控制器之间通过Avalon总线通信。

四、实验流程

4.1 硬件设计

4.1.2 创建工程

启动 Quartus II 软件，选择File->New Project Wizard，在出现的界面下先Next，填写工程的路径和名称，然后接着Next，直到出现下面界面并进行相应操作。接着一路Next，直到Finish，完成工程的创建。

在这里插入图片描述

4.1.2 使用Qsys

选择Tools->Qsys

在这里插入图片描述

①系统时钟的设置
双击System Contents中的clk_0

在这里插入图片描述

②Nios II Processor的添加
在搜索框中，输入nio，找到Nios II Processor，点击Add

在这里插入图片描述

保持默认配置，选择Finish

在这里插入图片描述

③On_Chip Memory的添加
在搜索框中，输入on_chip，找到On_Chip Memory，点击Add

在这里插入图片描述

设置大小为10K，其他保持默认设置

在这里插入图片描述

④JTAG UART的添加（作用：利用JTAG完成，URAT通信功能）
在搜索框中，输入jtag，找到JTAG UART，点击Add

在这里插入图片描述

⑤System ID Peripheral的添加（作用：为Nios II生成一个ID号）
在搜索框中，输入sys，找到System ID Peripheral，点击Add

在这里插入图片描述

保持默认设置

在这里插入图片描述

4.1.3 IP核的连接

clk，reset，datamaster需要和其他所有IP核连接，nios ii的指令端口（instruction_master)只与存储器进行连接，nios ii中的jtag_debug_model_reset与外部IP核进行连接。jtag端口的中断信号的连接，其中0表示中断的优先级（可以进行设置）
在这里插入图片描述

对Reset Vector和Exception Vector的设置
设置完成后，选择Finish

在这里插入图片描述

系统分配地址
选择System->Assign Base Address

在这里插入图片描述

4.1.4使用FPGA资源

选择Generate->Generate，保持默认设置，点击Generate，选择Save
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

创建顶层文件
回到Quarters，选择New->Verilog HDL File

在这里插入图片描述

顶层文件内容

module hello_world(
	input clk,
	input reset_n
);
//此处的代码可以通过Qsys中的Generate->Generate Example，复制里面的内容，粘贴到此处，进行相应的修改
system u_qsys (
        .clk_clk       (clk),       //   clk.clk
        .reset_reset_n (reset_n)  // reset.reset_n
    );

endmodule

手动添加上面创建的系统

在这里插入图片描述

选择File->添加对应的文件->Add->Apply->关闭

在这里插入图片描述

编译完成后，分配管脚

在这里插入图片描述

再次进行编译，成功后即可完成本阶段操作。

4. 2软件设计

4.2.1 打开软件

打开Nios II Software Build Tools for Eclipse

在这里插入图片描述

4.2.1 创建文件

点击File->New->Nios II Application and BSP from Template

在这里插入图片描述

选择硬件设计部分的文件，填写工程名称以及工程Template

在这里插入图片描述

4.2.3 修改实现代码

打开hello_world中的.c文件
修改里面的内容如下

流水灯

#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
const alt_u8
led_data[8]={0x01,0x03,0x07,0x0F,0x1F,0x3F,0x7F,0xFF};
int main (void)
{
     int count=0;
     alt_u8 led;
     volatile int i;
     while (1)
         { if (count==7)
             {count=0;}
          else
          	{count++;}
          led=led_data[count];
          IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PIO_LED_BASE, led);
          i = 0;
          while (i<500000)
              i++;
         }
     return 0;
}

串口输出

#include "system.h"

int main (void)
{
     volatile int i;
     while (1)
     {
         printf("Hello from Nios II! 你干嘛，哎哟~~~ \n");
         i = 0;
         while (i<5000000)
             i++;
     }
     return 0;
}

点击保存，选择hello_wold_bsp，右键后，选择Nios II中的Generate BSP

在这里插入图片描述

再次编译

在这里插入图片描述

4.2.4 代码烧录

在这里插入图片描述

五、实验效果

1.流水灯

流水灯

2.串口输出字符

串口

六、实验心得

经过本次实验，我成功设计并实现了基于Nios II软核的FPGA流水灯控制和串口数据输出模块。这一过程不仅加深了我对Nios II软核处理器及其与硬件描述语言结合应用的理解，也锻炼了我的编程能力和硬件调试技巧。

实验过程回顾：

Nios II软核与Qsys系统设计： 我首先利用Qsys工具，将Nios II软核与所需的外围设备进行集成，创建了一个定制化的系统。通过这一步骤，我学习了如何在系统级别上进行设计，并对Nios II软核的可配置性有了更深入的认识。
流水灯控制逻辑实现： 我编写了C代码来控制FPGA上的LED灯，实现了流水灯效果。这一过程中，我练习了基本的输入输出操作和时间控制逻辑，理解了如何通过软件控制硬件行为。
串口通信编程与实现： 我实现了一个波特率发生器，并编写了用于串口数据发送的状态机逻辑。通过实例化uart_tx模块，我掌握了串口信号的输出控制，包括数据位的串行化和波特率的匹配。
硬件与软件的协同调试： 在整个实验过程中，我不断在硬件描述语言的硬件实现与Nios II软件编程之间进行切换和调试，这一经历极大地提升了我的综合设计能力。

实验成果：

通过本次实验，我不仅掌握了Nios II软核处理器的编程技巧，还学会了如何将理论知识应用到实际的硬件设计中。我能够独立完成从设计、仿真到硬件测试的整个FPGA设计流程，并且能够通过外部串口工具接收发送的数据。

实验反思：

在实验过程中，我遇到了一些挑战，包括数据时序的准确性以及串口通信的调试。通过不断测试和调整，我学会了如何对FPGA设计进行调试，解决可能出现的问题。这一过程锻炼了我的问题解决能力，也增强了我面对复杂问题时的耐心和信心。

未来展望：

尽管本次实验已经完成，但我意识到在FPGA设计和嵌入式系统开发方面还有许多值得学习和探索的地方。未来，我计划深入学习更高级的FPGA设计技术，探索更多的通信协议和接口，并将这些技术应用到更大型的项目中。

感谢与致谢：

最后，我要感谢所有在本次实验中提供帮助和支持的同学和老师，以及那些提供友情链接和资源的朋友们。是你们的帮助让这次学习之旅更加丰富和有趣。

最后感谢大佬友情链接：