基于nios的flash数据烧写

大连民族学院《SOPC技术及应用》大作业题目基于NIOSⅡ的flash的数据烧写学院：信息与通信工程学院专业：通信工程班级：通信104学生姓名：陈凤媛学号：2010026403完成时间：2013年7月3日摘要:随着EDA技术的发展和可编程逻辑器件性能的不断提高，可编程片上系统技术为系统设计提供了一种简单、灵活、高效的途径，而NiosII嵌入式处理器是Altera公司新近开发的可编程片上系统解决方案。本文简单介绍了基于NiosII的可编程片上系统的系统设计，并以Flash数据烧写为实例，讨论了在应用过程中遇到的一些问题和解决方案。关键词:可编程片上系统；嵌入式处理器；Flash烧写；同步动态随机存储器一引言随着微电子技术的飞速发展，集成电路设计和工艺技术水平有了很大的提高，从而使得由许多IC组成的电子系统集成在一个单片硅片上已成为可能，构成所谓的片上系统（SystemOnChip,SOC）。对于一些仅为小批量应用或处于开发阶段的SOC，若马上投入生产，风险较大，SOPC（SystemOnaProgrammableChip）技术的出现为此提供了有效的解决方案。SOPC是以大规模FPGA为物理载体进行的系统芯片的设计，是基于FPGA解决方案的SOC，简单易行而且成本低廉。构成SOPC的方案有多种途径，其中将IP软核嵌入FPGA的SOPC系统被广泛使用，目前最具有代表性的软核嵌入式处理器是Altera的Nios和NiosII核。Nios嵌入式CPU是一种专门为SOPC设计应用而优化的CPU软核，NiosII是继之推出的第二代Nios嵌入式处理器，处理性能更高。随着现代设计越来越复杂化，FPGA中片内存储器的资源早已不能满足用户的需要，往往需要使用外部存储器来解决问题。其中，Flash烧写就提供了一个有效手段。一般地，烧写Flash最常用的方法是用编程器把程序或数据写入Flash，但如果要把Flash存储器和芯片（比如FPGA芯片）连接起来使用，那么就需要用硬件来做成一个接口模块，而现在很多FPGA开发板本身就带有Flash存储器，这就为FPGA芯片和Flash通信提供了方便，而且NiosIIIDE为此提供了一个方便的Flash编程方法，任何连接到FPGA的兼容通用闪存接口（CFI）的Flash器件都可以通过NiosIIIDE闪存编程器（FlashProgrammer）来烧录。虽然NiosIIIDE闪存编程器（FlashProgrammer）为FPGA开发板提供了一种Flash烧写方法，但是使用它更多地是为了将程序烧入Flash，避免每次上电时需要下载程序的麻烦。如果仅仅想把大量数据写入Flash存储器，作为系统的输入信息使用，则可以采用一种更为简单、方便的方法。本文提出的即是一种基于SOPC开发的Flash数据烧写方法。它利用SOPC开发过程，把Flash作为普通的外设来对待，待数据写入Flash后，SOPC系统所占的资源就可以释放，所以它为Flash数据烧写提供了一种简单、方便并且能够节省FPGA资源的有效方法。1基于NiosII的SOPC开发与传统嵌入式系统设计不同，Nios系统的开发分硬件开发和软件开发两个流程。硬件开发过程主要由用户定制系统硬件，软件开发在NiosIIIDE中完成，NiosII使用NiosIIIDE集成开发环境来完成整个软件工程的编辑、编译、调试和下载。图1所示的是基于NiosII的SOPC系统开发流程。图1基于NiosII的SOPC系统开发流程NiosII的硬件设计是为了定制合适的CPU和外设,利用SOPCBuilder的图形用户界面，可以快速方便地定义和连接复杂的系统。系统定义过程中，可对CPU和各外设模块的特性、大小及在系统中地址分配等进行设定。接着让SOPCBuilder帮助NiosII开发者生成SOPC系统，实际上，它是用生成的.ptf文件来描述NiosII处理器系统。同时，也生成了用于QuartusII编译的HDL文件。在完成上述操作之后，使用QuatusII软件对NiosII系统上的各种I/O口进行引脚分配，并且进行硬件编译。在编译的过程中，QuatrusII从HDL源文件综合生一个适合目标器件的网表。最后，将生成的配置文件下载到开发板上。NiosIIIDE（NiosII集成开发环境）为NiosII的软件开发提供了一个平台，利用它可以向生成的SOPC系统写入程序。在进行软件开发时，会涉及到与硬件设备的通信问题。HAL（硬件抽象层）系统库工程包括所有和硬件处理器相关的接口，它是在NiosIIIDE中建立一个新的工程时，由IDE根据SOPC系统自动生成的。用户在NiosIIIDE环境中编写软件程序，实际是基于HAL系统库的应用程序，通过HAL系统库，与硬件设备联系起来。程序编辑完之后，使用NiosIIIDE的编译器、调试器对软件工程进行编译、调试。一切顺利通过之后，就可以将软件下载。二开发实例2.1Flash烧写这里以Flash数据烧写为例，详细讨论基于NiosII的SOPC开发，本实例是针对一次性向Flash写入大量数据的设计方案，首先是设计规划，即软、硬件的划分问题，之后就分硬件开发和软件开发两部分分别讨论。2.2硬件开发本设计使用的开发板是CycloneEP1C6Q240C8。采用的FPGA芯片是Cyclone系列的EP1C6。开发板上还附有8Mbyte的SDRAM（SynchronousDynamicRandomAccessMemory）和2Mbyte的Flash存储器。图2就是最终的系统工程文件。它的开发过程如下。由于NiosII开发时采用默认的系统时钟50MHz，即图2中SOPC系统时钟clk，而核心板上的晶振是25MHz，所以需要添加一个锁相环（PLL）模块，将频率提升到50MHz再供给系统。图2系统工程文件首先定义NiosII处理器系统，它是为Flash数据烧写特别定制的，所以使用了最精简的系组件。它们分别是：（1）CPU核，这里选择了经济型的NiosII，因为它占用最少的逻辑单元；（2）On-ChipMemory，为系统添加内存储器，使用FPGA内部RAM资源，速度快，但存储容量较小，这里定义了4KB的RAM；（3）JTAGUART，它主要用于在线调试，在调试中，只要配置了CPU、On-ChipMemory和JTAGUART就可以完成一个最小系统；（4）Avalon三态总线桥（AvalonTri-StateBridge），AvalonTri-StateBridge也可以称作是外部RAM总线，在NiosII开发板上，要实现NiosII系统和FPGA片外存储器通信，就需要Avalon三态总线桥；（5）SDRAM控制器，SDRAM能够提供更大的存储容量，解决片内RAM不够用的情况，它通过Avalon三态总线桥接入NiosII系统中；（6）加入Flash接口，它的加入类似PC机接入了硬盘，用于存放程序和数据，并且具有非易失性，这里用它来存放要写入的数据。其次，在自动分配基地址和中断后，进行SOPC系统地址的分配。这里由于软件程序较长，Resetaddress就设置为SDRAM。接着利用SOPCBuilder就可以生成SOPC系统，并且生成用于综合的硬件描述语言（HDL）。图3系统工程文件硬件设计的最终目的是为软件开发提供一个平台，所以最后还是要通过对工程文件的编译来获得配置文件，通过JTAG口下载配置信息，从而实现在FPGA芯片中建立硬件系统。在此之前，分配引脚的过程是十分重要的，如图2中，除了时钟和复位引脚以外，其余的都是关于SDRAM和Flash的引脚。使用了SDRAM，就需要给它分配时钟，根据SDRAM的芯片HY57V641620HG(L)T-7，时钟应为100MHz，所以利用锁相环倍频至100MHz，供给SDRAM的时钟，即图2中的sd_clk。图2中，sd_addr和sd_data是SDRAM的地址和数据线，它们分别是12位和16位。由于SOPC系统的地址总线为“tri_state_bridge_0_address[20..0]”共21条地址线，而Flash芯片AM29LV160只有20位地址线，所以必须将“tri_state_bridge_0_address[20..0]”的高20位地址线与Flash的20位地址线对齐，同时由于所选用的Flash芯片是16位数据总线，每次读写16位，因此只用到“tri_state_bridge_0_address[20..0]”的高20位地址总线。关于SDRAM、Flash的控制和片选信号也通过其余的引脚表示出来了。除此之外，不同型号的片外存储器（如SDRAM、Flash）的操作时序都可能不同，所以在定制系统组件时要根据所选用的芯片，对它们的时序做出正确的设置，否则将使NiosII不能工作或者工作不稳定。2.3软件开发通常来说，往往是因为数据量很大才需要把数据写入Flash中，这些数据很可能是以特殊方式保存下来的，比如在Matlab环境中经过数据处理被保存在数据文件（.mat）中。本设计的软件开发就是实现向Flash写入数据，而这个过程是在NiosIIIDE的C/C++编程环境下完成的，如何在该环境中引用那些被保存的数据成为了一个关键问题。这里提出的一个解决方法是：运用文件这个概念。该方法的主要思路是：首先在MATLAB中编写程序把需要保存的数据保存在某个文件中，如data.h；关于保存数据的文件的路径，建议使用绝对路径，并且将它存放在软件工程文件夹下；然后在C/C++环境中，添加头文件#include，这样就可以在该环境下直接引用data.h中的数据。其次，由于在开发过程中是把Flash当作普通外设来对待的，需通过访问Flash的方法来向Flash写数据，因为本设计是针对一次性向Flash写入大量数据，并且无需保存Flash中原来的数据，因此不会涉及到Flash的跨块擦除问题，故采用简单访问Flash的方法。使用Flash的操作函数时，需包含头文件“sys/alt_flash.h”。编辑完程序后，如果直接编译，会出现存储容量不够的问题，可以通过以下办法解决。在系统库属性中做一些编译前设置。程序是默认存储在On-ChipMemory中的，这里需要改为SDRAM。可以选中“Reduceddevicedriver”和“SmallCLibrary”，去掉“Cleanexit”选择，这样可以使程序变小。NiosII程序编译（Build）通过，就可以下载至已配置好硬件信息的开发板上，但往往会出现运行（Run）不起来的问题，原因有很多种，比较典型的有以下几种可能：使用了SDRAM却没有合理分配时钟；管脚分配出现问题；SDRAM、Flash的时序设置不正确。应仔细检查，排除这些问题。成功运行后，说明已把数据写入了Flash，如想要进一步确认，可以采用对Flash的读操作来进行验证。三结论NiosII是一个性价比较强大的嵌入式处理器软核，结合SOPC技术，可以有效地实现系统功能。它实际上是一个软硬件复合的系统。与普通的嵌入式系统开发相比，具有更多的优势。在介绍了基于NiosII的SOPC系统的一般开发流程之后，本文以Flash数据烧写为例，详细地说明了软硬件开发过程中需要注意的问题。特别是在软件设计过程中，运用了文件的概念来引用保存在Matlab数据文件（.mat）中的数据。另外，针对一次性向Flash写入大量数据这个问题，使用了简单访问Flash的方法，既简单又保证了正确性。在硬件开发中，从节省资源的角度考虑，只为该系统定制了所需的系统组件。总的来说，这为Flash数据烧写提供了一个简单有效的手段。参考文献[1]AlteraCorporation.NiosIISoftwareDevelopment[EB/OL].[2]AlteraCorporation.TheHALSystemLibrary[EB/OL]