通过Quartus II实现Nios II编程

news2025/4/24 11:48:29

一、认识Nios II

Nios II软核处理器简介

Nios II是Altera公司推出的一款32位RISC嵌入式处理器，专门设计用于在FPGA上运行。作为软核处理器，Nios II可以通过硬件描述语言在FPGA内部实现，这使得它具有极高的灵活性和可定制性。Nios II处理器能够满足各种应用对32位嵌入式微处理器的需求，用户可以根据自己的系统需求选择合适的处理器型号，以达到性能和成本的最佳平衡。

Nios II的特点和优势

Nios II处理器的最大特点是它是运行在FPGA上的软核处理器。与传统的硬核处理器相比，软核处理器可以根据需要进行裁剪和定制，提供了更大的灵活性。Nios II支持使用专用指令，允许用户增加硬件模块来执行复杂运算任务，从而为时序要求紧张的软件提供加速算法。此外，Nios II系列支持60多个外设选项，使得开发者能够选择合适的外设，获得最合适的处理器、外设和接口组合。

Nios II系列的分类

Nios II系列包括三种产品型号：Nios II/f（快速）、Nios II/s（标准）和Nios II/e（经济）。这三种产品型号都具有32位处理器的基本结构单元，包括32位指令大小、32位数据和地址路径、32位通用寄存器和32个外部中断源。它们使用相同的指令集架构（ISA），并且100%二进制代码兼容，这意味着设计者可以根据系统需求的变化更改CPU型号，而不会影响已有的软件投入。

二、使用Quartus II 18.0Lite搭建Nios II硬件部分

新建一个名为Nios_II的项目文件。
选择与DE2-115板子上相同型号的芯片EP4CE115F29C7并点击Finish完成配置。
点击Plateform Designer,开始搭建硬件部分
在左上角搜索框输入NIOS，单击选择Embedded目录下的Nios II Processor
如果Quartus II是Lite版本的要把Nios II Core选为Nios II/e，因为Lite版本不支持高性能的Nios II，编译的时候会报错，若想使用Quartus需要标准版及以上版本，如果是标准及以上版本就可以选择NIos II/f。其余配置默认即可，点击Finish完成该部分配置。然后再将其更名为cpu。
添加JTAG_UART接口，选择Interface目录下的JTAG UART，配置默认即可，点击finish并更名为jtag_uart。
配置片上存储器 On-Chip Memory，选择Basic目录下的On-Chip Memory，并将总存储大小改为40k，完成配置，然后改名为onchip_ram。
添加PIO接口，默认即可，更名为pio_led。
添加System ID,默认即可，更名为sysid。
根据下图进行连接，并在pio_led的external处添加名为out_led的输出端口。
双击cpu在Vectors中进行如图配置，如果找不到onchip_ram.s1应该检查连线是否正确，点击System => Assign Base Address，使Base栏不出现重复的地址。点击File => Save保存该项目。
点击Generate => Generate HDL开始生成，等待其生成完毕，关闭Plateform Designer。
新建BDF（Block Diagram/Schematic File）文件，按照图中顺序添加kernel
右键单击kernel选择Generate Pins for Symbol Ports为其添加管脚。并将clk_clk管脚更名为clk,out_led_export[7:0]管脚更名为pio_led[7:0]，reset_reset_n管脚更名为reset_n。

15.添加kernel.qip后保存bdf文件为Nios_II.bdf进行语法编译，芯片引脚设计保持默认即可。
点击Pin Planner，参考DE2-115管脚图开始配置管脚
完成针脚配置后关闭Pin Planner，完全编译项目，编译通过即表示硬件部分设计完成。

三、软件部分

点击 Tools => Nios II Software Build Tools for Eclipse 打开 Nios II SBT for Eclipse,把默认目录更改到这个项目目录。
创建新的软件应用，点击File => New => Nios II Application and BSP from Template。选择项目目录下的.sopcinfo文件，并将其命名为hello_led，点击finish开始生成Template。

在这里插入图片描述

打开hello_led文件夹下单hello_world.c文件，并对.c文件内容进行更改以实现Console输出以及流水灯。

代码尚有不完善的地方，比如难以分辨新的输出语句“Hello from Nios II!\n"，可在后面添加变量n加以分辨，原始代码如下：

#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
#include <stdio.h>  // 新增标准输入输出头文件，用于printf

/*
 * "Hello World" example.
 *
 * This example prints 'Hello from Nios II' to the STDOUT stream. It runs on
 * the Nios II 'standard', 'full_featured', 'fast', and 'low_cost' example
 * designs. It runs with or without the MicroC/OS-II RTOS and requires a STDOUT
 * device in your system's hardware.
 * The memory footprint of this hosted application is ~69 kbytes by default
 * using the standard reference design.
 *
 * For a reduced footprint version of this template, and an explanation of how
 * to reduce the memory footprint for a given application, see the
 * "small_hello_world" template.
 *
 */

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;

    // 融合后的新增功能：打印Nios II启动信息
//    printf("Hello from Nios II!\n");

    while (1) {
        if (count == 7) {
            count = 0;
        } else {
            count++;
            printf("Hello from Nios II!\n");
        }

        led = led_data[count];
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PIO_LED_BASE, led);

        // 保留原有的延时逻辑
        i = 0;
        while (i < 500000) {
            i++;
        }
    }

    return 0;  // 理论上无法执行到这里，但保持代码完整性
}

应该修改的代码为此：

printf("Hello from Nios II!\n",n);

理论修改后的10个循环内的输出如下：

第 1 次：Hello from Nios II! 1
第 2 次：Hello from Nios II! 2
第 3 次：Hello from Nios II! 3
第 4 次：Hello from Nios II! 4
第 5 次：Hello from Nios II! 5
第 6 次：Hello from Nios II! 6
第 7 次：Hello from Nios II! 7
第 8 次：无输出（count 重置为 0，未执行 printf）
第 9 次：Hello from Nios II! 1
第 10 次：Hello from Nios II! 2

四、运行项目

. 右键单击hello_led目录再单击Build Project ，完成编译后点击右上角的Nios II => Quartus Prime Programmer；点击Add File添加.sof文件，将其下载到DE2-115板子上，如果出现管脚连接错误，可能是SW19开关在PROG上，切换到RUN即可下载。

在这里插入图片描述