基于GW48系列实验平台的Nios2实验板的设计与制作 (毕业设计40页、18036字+原理总图+PCB图)

摘  要： EDA作为现代电子技术的前沿，其发展前景正逐渐被人们重视，为了便于EDA技术实验教学的开展，提出了扩展实验板设计。NIOS 是Altera公司专门为嵌入式系统设计者进行SOPC设计的一种CPU软核，它以IP核的形式提供给嵌入式系统设计者，其可配置特性给嵌入式系统设计带来了更大的灵活性，本设计选用Cyclone系列的EP1C6Q240C8作为系统核心，分析了核心芯片选型依据，组建了包括JTAG、FLASH、SDRAM等器件在内的硬件平台，完成了硬件设计、NIOS软核的设计。本文详细介绍了整个系统硬件平台设计与实现过程，介绍了CPU系统核心设计、接口电路设计和PCB印制板的设计与实现,采用了双面板、手工布局、自动布线完成PCB设计。实验板可为EDA和SoPC的学习提供便利的实验条件。
              
关键词:  NIOS II；实验板；EP1C6Q240C8使用；SOPC

The Experimental Platform to the Design and Manufature
on GW-48
Abstract： As forefront of modern electronic technology, the development prospects of EDA has been paid gradually more attention, a personal simply experiment EDA devices has been developed. NIOS is a CPU that is dedicated to embedded system designer for SOPC. It is provided for embedded system designers by IP form. Its configurable properties will bring greater flexibility for embedded system design. this design chosen EP1C6Q240C8 system of Cyclone series as a core, The reason for choosing the core chip is analysed in this paper, the hardware platforms included JTAG, FLASH, SDRAM devices and so on, completed the hardware and NIOS soft-core design. This paper describes the design and implementation process of the whole hardware platform, the core CPU system design, interface circuit design and PCB design and implementation.The design uses manual layout, automatic routing, double-panel. Experiment board can provide convenient experiment condition to EDA and the SOPC studying.

Keywords: NIOS II , TEST SYSTEM , EP1C6Q240C8, SOPC

目    录

目    录 III
第1章 绪   论 1
1.1 引   言 1
1.2 嵌入式技术概述 1
1.3 iSOPC设计技术产生背景及发展现状 2
1.4 课题来源及研究意义 4
第2章 嵌入式软核介绍 6
2.1 主流嵌入式软核处理器 6
2.1.1 ALTERA 的NIOS 6
2.1.2 iXILINX的Micro Blaze 7
2.2 NIOS处理器介绍 7
2.2.1 iNIOS处理器特性 7
2.2.2 iNIOS处理器寄存器结构 8
2.3片上系统总线与接口 10
第3章 开发板设计 12
3.1 系统整体设计方案 12
3.1.1 核心芯片选型 12
3.1.2 系统整体结构 13
3.2 iCPU核心系统设计 14
3.3 外围电路及接口电路设计 16
3.3.1 电源电路 16
3.3.2 晶振电压电路 17
3.3.3 按钮电路 17
3.3.4 iJTAG电路 18
3.3.5 配置接口模块 19
3.4 存储系统设计 19
3.4.1 iNIOS的存储系统 19
3.4.2 iFLASH存储器模块 21
3.4.3 iSDRAM存储器模块 22
第4章 PCB及硬件实现 24
4.1 PRETOL DXP 2004介绍 24
4.2实验系统 PCB设计 24
4.2.1 iPCB设计概述 24
4.2.2 设计原则 25
4.2.3 iPCB板实现 25
第5章 总结与展望 29
5.1工作总结 29
5.2 展   望 29
致    谢 31
参考文献 32
附    录 33

 
第1章 绪  论
1.1 引言
当前，嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争的时代。就嵌入式系统的技术和市场来说，国外发展速度极快，技术日趋成熟，市场格局基本形成；就国内而言，嵌入式系统正蓬勃兴起，市场潜力很大在国外，嵌入式系统硬件，特别是嵌入式CPU的处理能力提升较快，由8位、16位升级到32位，采用嵌入式系统的掌上电脑、PDA,智能手机、智能汽车等新产品层出不穷，嵌入式系统得到越来越广泛的应用。
    近年来，随着可编程芯片的飞速发展，改变了嵌入式硬件模块的设计方法，嵌入式系统逐渐由板级向芯片级过渡，即片上系统—SOC。硬件上，在单一芯片内包含一个或多个处理器、基于总线的体系结构、大容量的存储器、外设、协处理器和输入输出接口等多种资源，软件上包含嵌入式实时操作系统和应用软件，用一个芯片构成整个系统。应用SOC设计的系统具有可靠性好、功耗低、体积小等优点，是未来嵌入式系统的发展趋势[1]。目前国内嵌入式系统的应用与研究主要还在板级系统，国外研究的重点己转向SOC。
    传统的基于ASIC器件的嵌入式设计方法设计周期长、投入费用高、风险较大，功能固定，而可编程逻辑器件(Programmable Logical Device)设计灵活、功能强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件(Field Programmable GateArray)其设计性能，无论从密度、速度、功耗和价格等多方面已完全能够与ASIC器件媲美，在应用FPGA进行设计时，其一次性投入低，设计周期短也是ASIC器件无法比拟的。
    基于FPGA的嵌入式系统设计具有的巨大优势，使其具有非常大的应用前景，将是未来嵌入式系统的主流实现方式。
1.2 嵌入式技术概述
     嵌入式系统(Embedded System)，是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。根据电气工程师协会(IEE)的定义，嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备[2]。国内一般定义为:以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够满足实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统通常由嵌入式处理器、相关支撑硬件、支持程序、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。它是具有特定功能或用途的、可独立工作的计算机软硬件集合体。
     嵌入式系统有以下几个重要特征:
（1）系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计和实现过于复杂，这样一方面利于控制成本，同时也利于提高系统可靠性。
（2）专用性强。嵌入式系统的软件与硬件结合的非常紧密，一般要针对具体硬件平台进行软件的移植。针对不同的任务，往往需要对系统进行较大的更改。
系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。
（3）嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，设计完成后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因而必须使用专门的开发工具和开发环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。
（4）高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化，以提高速度.嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行;但是为了合理的调度系统中的不同任务，利用系统资源、系统函数以及专用的库函数，设计者必须自行选配RTOS (Real-Time Operating System)这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。
1.3 SOPC设计技术产生背景及发展现状
近年来，随着半导体技术的飞速发展，传统的芯片设计方法正在进行一场革命，其标志就是系统级芯片(SOC)被业界广泛接受，并成为研究和开发的焦点。过去，为了设计一种嵌入式系统，设计人员需要选择三类不同的硬件器件：处理器、逻辑器件和存储器。今天，结合所有这些器件可以创造出单个SOC解决方案，从而提高了速度、缩小了尺寸，更重要的是降低了总体系统成本。这一概念于上世纪90年代提出，目的是为了克服多芯片集成系统设计所产生的一些困难，通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能，减少电路板面积，降低制造成本。
    SOPC是一种特殊的嵌入式系统:首先，它是系统芯片(SOC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可升级、可扩充，并具备软硬件在系统可编程的功能。它结合了SOC和FPGA的优点，具有以下基本特征:至少包含一个以上的嵌入式处理器IP核；具有小容量片内高速RAM资源；丰富的IP核资源可供灵活选择；有足够的片上可编程逻辑资源；处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存；可能包含部分可编程模拟电路，单芯片与低功耗[3]。
    通过对比许多流行ASIC产品低的价位点，SOPC设计提供了成本最低的解决方案，同时还没有沉没工程成本以及与设计转换相关的工程成本。SOPC越来越受到客户青睐的原因主要有以下几点:一是原来仅在实验室中才具有的可重新编程功能现在延伸到产品现场部署；二是近年来FPGA器件密度大幅提高，密度在100万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市，芯片规模的扩大和性能的提升为SOPC提供了物质基础；三是第四代现场可编程逻辑器件的开发工具己经成形。如Altera公司的QuartusII,以及SOPC Builder的出现，极大地提高了开发人员的工作效率;四是知识产权(IP)得到重视，越来越多的设计人员以“设计重用”的方式对现有软件代码加以充分利用，从而提高他们的设计效率并缩短上市时间;五是由于连接延迟时间的缩短，片上可编程系统能够提供增强的性能，而且由于封装体积的减小，产品尺寸也随之减小。六是设计成本和风险直线下降。和ASIC设计费用和成本不断增加的情况相反，随着FPGA容量和系统功能的不断增加，SOPC必将成为灵活和低风险的ASIC替代方案。
    随着FPGA价格的快速下降以及ASIC掩膜费用的飞速上升，FPGA将会进一步进入原来由固定结构定制芯片所服务的大批量、低成本应用市场。SOPC是市场和技术共同推动的结果。目前，Altera、ARM、 ARC Cores等公司都推出了各种可配置处理器内核。Altera和Xilinx公司将自己生产的FPGA与可配置处理器内核结合在一起，推出了SOPC解决方案。
    SOPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统(RTOS)为中心的软件设计、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及目前已经引起普遍关注的软硬件协同技术。由于可编程逻辑器件已经得到广泛的应用，并且FPGA的系统门数己经发展到百万级，为了简化设计、降低成本和缩短产品开发周期，可编程逻辑器件供应商以其芯片灵活性和功能完备性的技术优势，掀起了一场设计“可编程片上系统”的潮流[4]。SOPC的核心器件FPGA已经发展成一种实用技术，让系统设计者把开发新产品的时间和风险降到最小。最重要的是，具有现场可编程性FPGA延长了产品在市场的存在时间，从而减小了被新一代同类产品淘汰的威胁。
    SOPC技术在我国已经受到前所未有的重视，嵌入式微处理器IP核方面有了长足进展。如北大计算机系的JBCore32、中芯微系统的方舟一号、二号、中科院计算机所的GODSON等等，这些32位微处理器核可以证明我国的IC设计人员已具有了设计较高性能的微处理器核的能力。
    SOPC技术的发展方向是趋同的世界。FPGA正在成功地挑战ASIC和ASSP成为批量生产的替代方案，这恰恰说明了两个世界正在慢慢地融合。ASIC厂商正在他们的器件中嵌入FPGA类的可编程性，以缩短设计时间。其它厂商亦在开发半定制器件，它集成了IP核，在金属层上具有有限的可编程性。同时，FPGA正在嵌入ASIC内核用于特定的应用，如数字信号处理(DSP)。虽然所有这些方式似乎是等效的，但是试图在 ASIC上加入可编程性是很有限的。到目前为止，在ASIC上嵌入可编程性并不成功，因为目前没用商用产品。半定制或门阵列和FPGA相比也有一些严重的缺陷，虽然这些器件的开发周期可能比ASIC或ASSP短，它既无法及时面市又没用真正可编程器件固有的灵活性，还缺少FPGA的动态可重配置性。
1.4 课题来源及研究意义
当今社会是信息化的社会，信息的处理、传递都要通过相应的电路来实现。传统电子设计是使用分立元件，集成电路通过印制板连接在一起，完成特定的功能。随着社会的发展、信息量的增长，传统的电子设计已不能满足信息化社会的客观需要。于是就诞生了EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术。用EDA技术进行电子设计它可以实现用软件的方式设计硬件；系统可现场编程，在线升级；整个系统低功耗，功能完善，集设计、仿真位一体，从而大大缩短了产品开发时间，成为现代电子设计发展的趋势。因此掌握EDA技术进行电子系统设计以成为广大电子设计者们的必备工具。但EDA技术作为一门应用技术，学习时不仅需要学习理论知识，而且需要进行实践。EDA也就离不开实验开发装置。现在国内外许多电子公司生产EDA实验开发装置，但这些公司的产品大多都比较昂贵，只适合一些高校或公司购买。因此，学生在校只能做几个实验。为满足课程学习的需要，于是就萌发了开发一个价格低、性能好、更适合广大EDA开发工作者和EDA初学人员要求的EDA试验开发装置。
本装置开发成功，以其低廉的价格、较完善的功能为广大EDA开发工作者和EDA初学人员提供了一套EDA学习、实验的开发装置。制作出的Nios2适配板，一方面可以充分利用GW48实验平台的外围实验资源，保证了资源的有效利用；一方面可以在自制实验板上添设部分外围资源，使得其方便学生在寝室等非实验室地点独立使用。