嵌入式系统试验

研究生专业实验教学实验报告书重庆大学研究生院制实验课程名称： 嵌入式系统专业实验 实验指导教师： 学 院： 专业及类别： 学 号： 姓 名：实验日期：成 绩：实验名称：FPGA SOPC实验实验时间：2016.5.5 2016.5.12一、实验目的1、学习 Quartus II、SOPC Builder、Nios II IDE 的基本操作；2、初步了解 SOPC 的开发流程，基本掌握 Nios II 软核的定制流程；3、掌握 Nios II 软件的开发流程；掌握软件的基本调试方法。

二、实验仪器设备硬件： PC 机，FPGA 实验开发平台；软件： Quartus II 9.1，SOPC Builder9.1，Nios II IDE 9.1。

三、实验原理实验利用Quartus软件内嵌的SOPC Builder工具来构造实验硬件，在Nios II软件编译工具中开发程序来控制实验箱中的LED灯实现闪烁的效果。

1、验证实验：建立可用于控制 LED 闪烁的简单 Nios II 处理器系统，具体包括：（1）在 Quartus II 中建立一个工程；（2）使用 SOPC Builder 建立并生成一个简单的基于 Nios II 的硬件系统；（3）在 Quartus II 工程中编译基于 Nios II 的硬件系统并生成配置文件.sof；（4）在 Nios II IDE 中建立对应硬件系统的用户 C/C++工程，编写一简单用户程序，在Nios II IDE 中编译程序生成可执行文件.elf；（5）将配置文件.sof 和可执行文件.elf 都下载到 FPGA 进行调试运行。

2、设计实验：用按键控制 8 个 LED 灯的闪烁状态，灯的状态如下：灯分为左右两部分交替闪烁。

灯分为奇数号和偶数号灯两部分交替闪烁。

循环从左至右间隔(两盏灯一组)跑动显示；从中间开始向两侧依次点亮，从两侧向中间依次点亮。

四、实验内容1 ．文件夹的建立在计算机上创建文件夹，要求用英文或数字命名，不能用中文命名。

2 ．文本文件的建立1) 单击“开始”→“程序”→Altera→QuartusII 9.1SP2。

2) 点击菜单栏File →New Project Wizard，弹出对话框式。

点击Next>按钮继续，修改，而后点击Next>继续，出现提示D盘nios2目录下面没有led这个目录，询问是否要创建它，选择是(y)，让QuartusII 创建这个目录。

点击”Next”。

3) 向导开始询问是否有现成的文件需要加到当前新建的工程中点击Next>继续，在图（6）中选择试验箱的芯片Cyclone ⅣE系列的EP4CE40F23I7 ，点击Next>，最后点击Finish 完成新建项目（注：在项目文件中找到led.qsf文件修改器件的电压值为1.2V）3 ．NIOSII 软核建立1) 在Quartus下，向工程中添加文件，先建立一个Block Diagram / Schematic File，点击菜单栏中的File->New，打开新建文件对话框，我们选中Block Diagram /Schematic File，然后点击ＯＫ按钮。

2) 接下来我们该启动SOPC Buider 来创建NIOSII 软核了，点击Tools-> SOPC Builder会出现对话框在在最上层的Create New System 对话框中的System Name:中输入软核的名字，在本示例中，输入helloled做为软件核的名字, 点击ＯＫ按钮确认。

3) 窗口左上角的Clock Settings显示clk_0 为外部时钟，频率为50Mhz，这是我们当前所用到的软核时钟。

（注：外部时钟频率可以修改，此实验最好按板上晶振改为25Mhz）4) 接下来要建立CPU，用鼠标双击窗口左侧框中的Processors->NIOS II Processor弹出如窗口, 先选择软核的类型，Quartus 一共提供了三种类型可供选择，Nios II/e 占用资源最少600-800LEs，功能也最简单，速度最慢。

Nios II/s 占资源比前者多一些，功能也多了，速度也快一些,Nios II/f 占资源最多，功能也最多，速度就快。

选择的时候要根据你的需求和你的芯片资源来决定,在本实验中，我们选择Nios II /s，能够满足需要。

在窗口下半部分的这些选项可以先不用管Reset Vector 是复位后启动时的Memory类型和偏移量Exception Vector 是异常情况时的Memory 类型和偏移量。

现在还不能配置，需要RAM 设置好以后才能修改这里，点击Next，需要设置JTAG Debug Module ，即JTAG 调试时所要用到的功能模块，我们选择Level1，只使用最简单的功能。

点击Next> 继续，最后点击Finish完成，出现cpu_0，就是刚才创建的cpu。

5) 接下面我们要添加片内RAM选择左边目录树下的Memories and MemoryControllers->On-Chip ->On-Chip Memory (RAM or ROM) 双击On-Chip Memory (RAM or ROM)，我们将RAM的大小改为20K，其他不做修改，然后直接点击Finish完成，回到SOPC Builder 主窗口。

主窗口上又加了一个Onchip_memory2_0 的Ｍodule。

6) 接下来建立一个SystemID(这个版本中不是必需的)，System ID 就是一种标示符，类似校验和的这么个东西，在你下载程序之前或者重启之后，都会对它进行检验，以防止错误发生。

在左边窗口的Peripherals->Debug and performance ->System ID Peripheral，双击System ID Peripheral会弹出对话框此窗口警告：System ID 组件的名字必需为sysid 才能使用，点击Finish完成添加，在SPOC builder 主窗口中选中SystemID组件，然后击点鼠标右键，弹下一个菜单，选择Rename，对sysid_0 组件进行重命名,将此文本框中的sysid_0 改为sysid。

照此方法，我们把所有组件后面的_0 全部去掉。

7) 接下来创建JTAG UART（调试时需要打字符串用才需要，如果单纯控制LED可以不要），首先JTAG UART 是实现PC 和NiosII 系统间的串行通信接口，它用于字符的输入输出，在NiosII 的开发调试过程中扮演了重要的角色，接下来我们开始建立它的模块。

选择sopc builder 主窗口左边Interface Protocols->Serial->JTAG UART双击JTAG UART，不做修改，点击Next> ，下一步点击finish 完成。

回到SOPCBuilder 主窗口，更改组件名jtag_uart_0 为jtag_uart 。

8) 接下来回去对ＣＰＵ进行设定，在主窗口中双击ＣＰＵ组件进入ＣＰＵ设定对话框，如下把Reset Vector 右边的Memory:改为onchip_memory2 ，offset 会设为0x0把Exception Vector 右边的Memory改为onchip_memory2 , offset 会设为0x20，点击窗口右下角的finish 完成。

9) 接下来要添加一个PIO模块(Parallel I/O)，点击窗口左侧的Peripherals ->Microcontroller Peripherals -> PIO(Parallel I/O)，其中Width 表示要建立的PIO宽度是多少，我们的板上有8个LED，选择宽度为8，Direction复选框中表示要建立的PIO的方向，分别表示Bidirectional(tristate) ports(双向三态口)，Input ports only (仅仅作为输入口)，Both input and output ports (作为输入和输出口)，Output ports only (仅仅作为输出口)，在本实验中将要实现的是点亮LED，所以这个新建的PIO采用Output ports only(仅输出口)方式，点击Next继续,不需要选择，点Next继续，直接点击Finish,完成PIO模块的创建回到主窗口中我们为了方便识别，将pio_0改名为pio_led。

10) 执行System 菜单上的Auto-Assign Base Addresses 自动分配一下地址。

最后就能进行编译了，点击SOPC Builder 主窗口左上角的System Generation 选项卡.我们点击最下面的Generate按键，弹出对话框会提示你是否保存改变，点Save,保存一下。

开始编译，程序编好了，查看下最后的输出，最后一行显示Info:System generation was successful，产生成功点击Exit 退出，会回到Quartus II 主界面。

11) 在这一步中需要分配管脚，回到Quartus界面以后，在Block1.bdf 界面里在空白处双击左键，会出现对话框（注意上图的红框内）展开左边的Project，下面有个helloled，这个helloled, 就是刚才建立的NIOSII 软核，quartusii 中把它用了一个方块symbol 来表示，点击左下角的ＯＫ按钮在Block1.bdf 界面中，有个小方框阴影跟随着鼠标移动，鼠标点击，把它放在Block1.bdf界面中放好，在NIOS软核helloled上点击右键后点击Generate Pins for symbol ports，这一步作用就是生成管脚，通过命名以后给信号分配真正的fpga io口引脚。

然后双击out_port_from_the_pio_led[7..0]端口符号，弹出窗口中修改引脚名，改为led[7..0]，所示确认后，点击按钮编译工程，在弹出窗口中保存bdf文件为led。

编译完成后，如果提示所示错误，则需要修改工程文件夹下led.qsf文件中“set_global_assignment -nameNOMINAL_CORE_SUPPL Y_VOLTAGE 1.0V”1.0V修改为1.2V，再次进行编译。

编译成功后点击Assignments->Pins绑定引脚。

12) 接下来要对工程进行配置在quartus9.1sp2 主窗口中，鼠标右键点击led，选择setting。

进入Setting 后，点击Device 下面的Device and pin Option,出现Device and PinOptions 对话框，选择Configuration 选项卡在Configuration device 下面的Useconfiguration device 中选择EPCS4 改好后，点击确认，再点击ＯＫ按钮返回quartus9.1sp2 主界面Save all 按钮，保存下所有的改动。