NIOS開發(fā)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)簡介

我們使用VHDL語言，根據(jù)FPGA管腳與數(shù)碼管和按鍵管腳的連接，通過一系列的語句控制管腳電平的高低，從而讓FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示功能?？梢?，對于比較簡單的功能實(shí)現(xiàn)，可以像這個(gè)例子中那樣，直接控制最底層資源，甚至對每個(gè)管腳在每個(gè)時(shí)刻的電平輸出了如指掌。
    但是，如果設(shè)計(jì)稍顯復(fù)雜，那么對底層細(xì)節(jié)的過多關(guān)注就會(huì)成為一種累贅。
    試想我們平時(shí)在電腦上編寫C程序，比如在顯示器上輸出一行字，我們只用一句printf()即可完成，至于打印命令怎么傳到顯示芯片上，哪個(gè)芯片管腳怎么 變化，又怎么傳到顯示器上輸出，諸如此類涉及底層硬件的問題，我們沒必要關(guān)注太多。于是，我們把用printf()這類高級語言描述設(shè)計(jì)邏輯的工作稱為軟 件設(shè)計(jì)。顯然，軟件只是一種抽象的看不見摸不著的東西，它的結(jié)構(gòu)接近于人類思維邏輯。無論軟件再怎樣構(gòu)思精妙，只有在硬件上才能體現(xiàn)出實(shí)際效果。
    做計(jì)算機(jī)開發(fā)應(yīng)用程序的時(shí)候，硬件是現(xiàn)成的，軟硬件之間的橋梁早就由操作系統(tǒng)給你搭好了，我們只需專心完成軟件的構(gòu)思和設(shè)計(jì)就OK。
    顯而易見，軟硬件的分工會(huì)給電子設(shè)計(jì)帶來極大的方便，自然有人把這種分工方式引進(jìn)FPGA設(shè)計(jì)領(lǐng)域，琢磨著怎么在小小的FPGA上也搞個(gè)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)硬件設(shè)計(jì)的和負(fù)責(zé)軟件的各司其職，最后pia一整合，效率倍增。
    來看看nios是怎么做的。拿出DE2開發(fā)板，上面很多外設(shè)接口和與之連接的芯片，那是硬件，中間有一塊大的CycloneII芯片，里面是空的，等著我 們編寫程序下載到里面運(yùn)行，前篇文章我們用最原始的方法寫了個(gè)數(shù)碼管控制器，這次我們換種方法，同樣是數(shù)碼管控制器，用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)來完成。
    跟計(jì)算機(jī)對比，硬件我們有了，軟件就用C語言來寫，但是nios系統(tǒng)可沒提供WinXP，也就是說軟件和硬件之間的那座橋還得自己解決。
  
    看上圖，這座橋分為3個(gè)層次：硬件控制層，設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，硬件抽象層（簡稱HAL）。既然是軟硬件的過渡部分，那么這3層的設(shè)計(jì)需要對硬件和軟件都有一定程度的了解，姑且稱之為“軟硬件混雜設(shè)計(jì)”吧。
    每一層所要完成的任務(wù)，就是整合和簡化硬件操作細(xì)節(jié)，整合，再整合，使其一目了然。
 
 
<1> 硬件控制層
    與硬件直接打交道的是硬件控制層。
    上面提到，搭“橋”的目的是讓軟件設(shè)計(jì)人員可以完全忽略硬件操作細(xì)節(jié)，因此，我們希望所有的硬件細(xì)節(jié)都能在這層解決，并向設(shè)備驅(qū)動(dòng)層提供整齊的“接口”。之前的例子可看作硬件控制器的雛形，但還缺少與設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的接口。
    何為“整齊”呢？比如說，設(shè)計(jì)數(shù)碼管控制器，我想讓它顯示數(shù)字“5”，最好的方法是，我將數(shù)據(jù)“5”和表示“顯示”的命令從設(shè)備驅(qū)動(dòng)層傳給硬件控制層，直 接告訴它：我要“數(shù)碼管”“顯示”“5”。至于要控制哪個(gè)管腳電平高低才能顯示“5”，全由硬件控制層負(fù)責(zé)。
    類似這樣分工合作的例子在日常生活中屢見不鮮。比如說，郵局要將一封信送給家住A小區(qū)的張三，郵遞員把信放入A小區(qū)的信箱，小區(qū)物業(yè)再去確認(rèn)張三的具體住處，把信最終送到張三手中。
    類比可見，郵局相當(dāng)于設(shè)備驅(qū)動(dòng)，物業(yè)相當(dāng)于硬件管理器，張三則是具體的硬件，郵局和物業(yè)之間的接口是物業(yè)提供的信箱，設(shè)備驅(qū)動(dòng)和硬件管理層之間的接口，我們稱之為“寄存器”，同樣由硬件管理層提供，“寄存器”是兩層之間得以明確分工和相互聯(lián)系的關(guān)鍵。
    設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員眼中的硬件就是一組寄存器的抽象，通過讀寫寄存器間接控制硬件行為。
    那么，在數(shù)碼管控制器里加入一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和一個(gè)命令寄存器：
  
       data_reg存儲(chǔ)待顯示的數(shù)據(jù)，cmd_reg為‘1’時(shí)顯示，為‘0’時(shí)清空。
 
 
<2> Avalon總線
       你可能會(huì)說，這有什么？在每個(gè)硬件管理器和設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間都建立一個(gè)通道唄。這是最直接的辦法，但顯然不是最好的辦法。試想，城市為什么要建高速公路呢？多 修幾十根羊腸小道不也一樣能跑車嗎？有人回答：為了收養(yǎng)路費(fèi)唄。$%@&&! 小路上開車，速度慢且不說，管理協(xié)調(diào)是個(gè)大問題，是一條大公路容易管理，還是幾十根羊腸容易理順？
     好了，回到正題，nios系統(tǒng)需要一條“高速公路”，稱為“總線”，“總線仲裁器”則行使“交通管理局”的角色，控制數(shù)據(jù)的進(jìn)出，并為每個(gè)硬件提供一個(gè)進(jìn) 出“高速公路”的接口，用“地址”來標(biāo)識這個(gè)接口的位置。nios采用的是Avalon總線，它有著一套接口規(guī)范：
       同步時(shí)鐘 clk
       片選信號 chipselect
       地址 address
       讀請求 read
       讀傳輸 readdata
       寫請求 write
       寫傳輸 writedata
       這些是比較重要的接口信號，其它的不一一列舉了。硬件控制器要接入總線，必須遵循接口規(guī)范，就像高速公路出口必須擺個(gè)收費(fèi)站一樣。
  
       那么在數(shù)碼管控制器里加入Avalon總線信號：
  
    既然加入了兩個(gè)寄存器和avalon信號，就需要對硬件邏輯進(jìn)行必要改動(dòng)，大致過程是，當(dāng)chipselect和write有效時(shí)，將 write_data賦給address對應(yīng)的寄存器；當(dāng)chipselect和write有效時(shí)，將address對應(yīng)寄存器的值賦給 read_data。另外，根據(jù)這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容決定數(shù)碼管輸出信號oSEG0。代碼不貼出來了，具體見工程壓縮包。

 <3> 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
    其實(shí)，“總線仲裁器”也可看作一種硬件控制器，只不過它管的不是具體的硬件，而是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。那么它也有自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，封裝了總線操作的細(xì)節(jié)。既然總線是現(xiàn)成的，我們秉承“拿來主義”的原則，甭管它怎么實(shí)現(xiàn)的，會(huì)用就行。
    例如，數(shù)碼管設(shè)備驅(qū)動(dòng)要把數(shù)據(jù)“5”和“顯示”命令傳給數(shù)碼管控制器，設(shè)計(jì)兩個(gè)函數(shù)，由于數(shù)據(jù)和命令的傳遞必須經(jīng)過總線，那么需調(diào)用總線驅(qū)動(dòng)函數(shù)IOWR(基地址, 偏移量, 數(shù)據(jù))，另外，讀取寄存器用到IORD(基地址, 偏移量)，這兩個(gè)函數(shù)在<io.h>里。
       <io.h>的路徑是"..alterakits ios2_60componentsaltera_nios2HALinc"。
       至此，“橋”搭完。
  
    函數(shù)功能從字面上很好理解。剛才定義兩個(gè)寄存器時(shí)，data_reg在前面，所以偏移量是0，cmd_reg在后面，偏移量是1。××_REG_MSK稱 為掩碼，avalon總線數(shù)據(jù)接口共32位，但我們設(shè)計(jì)的data_reg位寬是3，cmd_reg位寬為1，掩碼的作用在于告知寄存器寬度，知道就行， 實(shí)際上用不著。××_REG_OFST是寄存器內(nèi)的偏移量，這里同樣用不著，先寫上吧。
    OK，我們的數(shù)碼管設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件正式出爐了，看看是不是簡潔明了很多??？

 <4> 硬件抽象層（HAL）
    設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序封裝的僅僅是對某個(gè)寄存器的一次讀寫操作，功能單一，需要在硬件抽象層再做一次封裝。
    直接將這些函數(shù)列出來，一目了然，不作多余的解釋了。
  

 至此，“橋”搭完。
  接下來在把我們的“數(shù)碼管控制器”加入sopc builder系統(tǒng)中。
    現(xiàn)在幾乎所有講nios的書都會(huì)提及自定義用戶外設(shè)，而且用的都是altera官方提供的例子PWM，本文的“數(shù)碼管控制器”就是照著它依葫蘆畫瓢改過來 的，呵呵，慚愧慚愧，之所以想改它，一是因?yàn)樗玫氖莢erilog而不是VHDL，而大多數(shù)人先接觸卻是VHDL；二來PWM的顯示效果似乎不太明顯， 改成數(shù)碼管顯示相對比較有成就感；第三，PWM的邏輯稍微有一點(diǎn)點(diǎn)復(fù)雜，我們的重點(diǎn)在于說明怎樣自定義外設(shè)，當(dāng)然例子越簡單越好。
    既然是照著PWM原樣改的，所以本文工程的結(jié)構(gòu)與之保持高度一致，將其加入sopc builder的步驟也差不多，這里我就不再碼字了，各位照著書上做吧：
    《SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（周立功等著）》第8章……
    再接下來，建立一個(gè)包含“數(shù)碼管控制器”的nios系統(tǒng)，并編寫應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)從0到9計(jì)數(shù)。
    貼張官方的nios設(shè)計(jì)流程圖，看起來很漂亮是吧，不愧是altera的東西，大而全而不亂。
  
       先說最中間的"SOPC Builder"，它的任務(wù)是建立一個(gè)“以Nios CPU為核心，以Avalon總線為紐帶，將各種硬件設(shè)備連接起來”的nios系統(tǒng)；這個(gè)系統(tǒng)要在FPGA中運(yùn)行，所以必須掛靠一個(gè)Quartus II工程，用左邊的Quartus II進(jìn)行分配引腳等等工作，生成硬件系統(tǒng)；接著，右邊的Nios II IDE就可以在這個(gè)硬件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)應(yīng)用程序了；最后將硬件系統(tǒng)和軟件程序分別下載到FPGA芯片上，大功告成。
       下面step by step
       <1> Quartus II 新建一個(gè)工程名，工程名"DE2_SEG7"。
       <2> "Tool" → "SOPC Builder" 打開SOPC Builder。
       <3> "System Name": nios2_system   選VHDL。
       一個(gè)包含“數(shù)碼管控制器”的最小系統(tǒng)至少由3部分組成：CPU必不可少，RAM存儲(chǔ)代碼，還有剛才設(shè)計(jì)的"seg7_avalon"。
       <4> 加入"Nios II Processor"，選"Nios II/e"，精簡型夠用了。
       <5> 加入"On-Chip Memory"，類型選"RAM"，位寬默認(rèn)"32 bits"，"Total Memory"選"48Kbytes"，等會(huì)兒軟件要占用四十多K空間。
       <6> 加入"seg7_avalon"。
       <7> 將這三個(gè)組件的名稱改好看點(diǎn)，然后設(shè)定RAM的基地址為"0x00000000"，再右鍵鎖定基地址，如圖：
  
       為什么要鎖定RAM的基地址為0呢？點(diǎn)選第二個(gè)選項(xiàng)卡，可以看到"Reset Address"對應(yīng)著RAM，系統(tǒng)的復(fù)位肯定要從地址0開始。
  
       <8> 由于剛才人為改動(dòng)了地址分配，弄亂了，讓系統(tǒng)自動(dòng)再分配一次，當(dāng)然被鎖定的RAM基地址是不會(huì)變的。"System" →"Auto-Assign Base Addresses"。最終系統(tǒng)組件列表如下：
  
    注意，seg7的地址范圍是"0x00010800"→"0x00010807"，占8個(gè)地址，nios系統(tǒng)的地址按字節(jié)分配，也就是說，每個(gè)字節(jié)占用一 個(gè)地址，數(shù)碼管控制器中定義了兩個(gè)寄存器，avalon總線規(guī)定每個(gè)寄存器占32位（實(shí)際上是不是32位它就不管了，反正按最大32位分配），這樣兩個(gè)寄 存器共占去8個(gè)字節(jié)，自然需要8個(gè)地址。
       <9> 點(diǎn)擊"Generate"生成nios系統(tǒng)，回到Quartus II。
       <10> 新建一個(gè)頂層文件"File"→"New"→"Block Diagram/Schematic File"，引入nios II系統(tǒng)，增加輸入輸出引腳。然后，"Assignment"→"Import Assignment"，添加引腳分配文件（在DE2光盤目錄下的DE2_tutorialsdesign_files DE2_pin_assignments.csv），改動(dòng)頂層文件的引腳名稱使其與.csv文件中保持一致。
  
       <11> 編譯，查看編譯報(bào)告，可見，48K的RAM占用了芯片83%的memory bits，差不多耗光了。
  
       <12> 硬件部分已經(jīng)搞定，關(guān)掉Quartus II，打開Nios II IDE，切換到工作目錄下。
       <13> "File"→"New"→"C/C++ Application"，"SOPC Builder System"選擇"nios2_system.ptf"（就是剛才Generate Nios II系統(tǒng)生成的東東），再選模板"Hello World"（純屬偷懶 ），頂上的"name"改成"seg_example"，"Finish"。
       <14> 改動(dòng)hello_world.c，代碼的功能為：先初始化數(shù)碼管，等待2秒鐘，再進(jìn)行0-9的循環(huán)，循環(huán)過程中穿插2秒鐘的清屏。SEG7_BASE的宏 定義在system.h中，實(shí)際上就是在SOPC Builder中的seg7_avalon的基地址0x00010800。
  
       <15> "Project"→"Build Project"，得到編譯報(bào)告，軟件占用了7K空間……
  
       <16> 下載到DE2板上，運(yùn)行，數(shù)碼管不停地閃啊閃。
       OK，從硬件到軟件的一條龍講完了。