高级FPGA教学实验指导书-嵌入式系统设计部分

高级FPGA教学实验平台实验指导书－嵌入式系统设计第1页共26页目录第一部分niosII使用说明.................................................31niosII介绍.........................................................31.1SOPCBuilder开发工具.........................................42NiosII设计流程.....................................................72.1硬件开发流程..................................................82.2软件开发流程..................................................9第二部分NiosII上机实验.................................................9实验一NiosII开发流程实例---LED显示.................................9一实验目的：.....................................................9二实验说明：.....................................................9三实验要求：....................................................18四实验报告要求：................................................18实验二niosII计数显示模板实例.......................................18一实验目的：....................................................18二实验要求：....................................................18三实验说明：....................................................19四实验报告要求：................................................19实验三计数器实验....................................................20一实验目的：....................................................20二实验要求：....................................................20三实验说明：....................................................20四实验报告要求：................................................20实验四十字路口交通灯控制............................................20一实验目的：....................................................20二实验要求：....................................................21三实验说明：....................................................21四实验报告要求：................................................21实验五实现LCD滚屏显示..............................................21一实验目的：....................................................21二实验要求：....................................................21三实验说明：....................................................22四实验报告要求：................................................22实验六实现串口通信..................................................22一实验目的：....................................................22二实验要求：....................................................22三实验报告要求：................................................22实验七简单数字钟....................................................23一实验目的：....................................................23二实验要求：....................................................23三实验说明：....................................................23四实验报告要求：................................................24高级FPGA教学实验平台实验指导书－嵌入式系统设计第2页共26页试验八Flash功能测试实验.............................................24一实验目的......................................................24二实验说明......................................................25三实验要求......................................................25四实验报告要求..................................................26高级FPGA教学实验平台实验指导书－嵌入式系统设计第3页共26页第一部分niosII使用说明1niosII介绍NiosII是一个用户可配置的通用RISC嵌入式处理器。Altera推出的NiosII系列嵌入式处理器扩展了目前世界上最流行的软核嵌入式处理器的性能，把NiosII嵌入到Altera的所有FPGA中，例如StratixII、Stratix、CycloneII,Cyclone、APEX,ACEX和HardCopy系列器件中，用户可以获得超过200DMIPS的性能，用户可以从三种处理器以及超过60个的IP核中选择所需要的，NiosII系统为用户提供了最基本的多功能性，设计师可以以此来创建一个最适合他们需求的嵌入式系统。NiosII处理器的优点和特性：使用NiosII处理器的用户可以根据他们的需要来调整嵌入式系统的特性、性能以及成本，快速使得产品推向市场，扩展产品的生命周期，并且避免处理器的更新换代。1提高系统性能*一系列的处理器核可供选择，其中包括了超过200DMIPS性能的核；*实现任何数量的处理器或将不同的处理器核组和在一起*增加了已有的处理器，在FPGA中添加一个或更多的NiosII软核处理器2更低的系统成本*通过将处理器、外设、存储器和I/O接口集成到一个单一的FPGA中，从而降低了系统成本、复杂性和功耗*通过将NiosII处理器嵌入到低成本的FPGA中只需花费35美分或者更低（编者：对大多数用户而言，NiosII所占逻辑资源的成本大约是10－20元人民币，具体取决于所选FPGA的类型和NiosII的配置）3应对产品的生命周期*提供易用的设计工具从而快速将产品推向市场。高级FPGA教学实验平台实验指导书－嵌入式系统设计第4页共26页*提供永久的，免费的许可从而使基于NiosII处理器的产品避免了处理器的更新换代而带来的损失。4功能强大、易用的开发工具*通过使用NiosII集成开发环境（IDE），从而加速了软件的开发*利用Altera的强大的SOPCBuilder系统开发工具和QuartusII设计软件可以在几分钟内设计一个系统5使用完全功能的开发包*使用易用的NiosII开发包开始一个设计*使用易用的NiosII开发包开始设计*可以选择具有低成本特性的CycloneFPGA开发套件，或高性能的StratixFPGA开发套件1.1SOPCBuilder开发工具SOPC即systemonaprogrammablechip是指用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。一方面它是片上系统—即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；另一方面，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、扩充、升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。这项技术将EDA、计算机设计、嵌入式系通、工业自动控制系统、DSP及数字通信系统等技术融为一体。1.1.1SOPCBuilder简介SOPCBuilder是Altera公司推出的一种可加快在PLD内实现嵌入式处理器相关设计的工具，其功能与PC应用程序中的引导模板（wizard）类似，旨在提高设计者的效率。设计者可确定需要的处理器和参数，并据此创建一个处理器的完整存储器映射设计者还可以选择所需的IP外围电路，如存储控制器、I/O控制器和定时器等模块。SOPCBuilder库中已有的组件包括：高级FPGA教学实验平台实验指导书－嵌入式系统设计第5页共26页*处理器：包括片内处理器和片外处理器接口*IP及外设：包括通用的微控制器外设、通信外设，多种接口（存储器接口、桥接口、ASSP、ASIC），DSPIP和硬件加速外设1.1.2SOPCBuilder用户界面打开QuaratusII的一个项目，选择QuaratusII工具栏（Tool菜单）中的SOPCBuilder选项，就启动了SOPCBuilder。SOPCBuilder的用户界面包括系统元件（Systemcontents）页，系统设置（MorecpuSetting）页和系统生成页。1系统元件页用户在系统元件页中定义所需的系统。在他的模块池中包括了用户可获得的所有元件列表。在模块表中列出的是用户已添加到系统中的模块。当用户用SOPCBuilder生成系统时，他就生成了一个系统模块，这个模块包含了用户所定义的所有元件和接口以及自动生成的总线（互联）逻辑。模块表中列出的是用户添加到用户所设计的系统中的模块，包括桥、总线接口、CPU、存储器接口、外围设备等。此外，用户可以用模块表来描述以下一些项目：连接的主从特性系统的地址映射系统中断请求分配控制共享从元件的优先权系统元件页还包括以下一些附加选项：（1）器件系列（Devicefamily）：由用户从其件列表中选择用户的目标器件。这项设置非常重要，因为SOPCBuilder是利用所选器件的结构优势来产生系统逻辑的。（2）系统的时钟频率：外围设备利用系统时钟来产生时钟分频或波特率等。SOPCBuilder的build-intestbench发生器还利用这项设置来产生用户所要求的高级FPGA教学实验平台实验指导书－嵌入式系统设计第6页共26页频率。2系统的设置项当用户向所设计的系统中添加元件时，比如一个NIOS嵌入式处理器，在SOPCBuilder