基于自制NiosⅡ实验板的实验项目开发与设计 （毕业设计61页 28166字）
摘要：SOPC ( System On Programmable Chip,可编程的片上系统 ) 是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决方案，它将处理器、存储器I/O口、LVDS、CDR等系统设计需求的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。本设计为基于Nios系统的SOPC嵌入式系统设计，设计选用Cyclone系列的EP1C6Q240C8作为系统核心，组建了包括串口、FLASH, SDRAM等器件在内的硬件平台，协助完成了硬件设计及NIOS软核的设计；并完成了对基于自制NiosII实验板部分接口的测试把其规划为实验项目的开发与设计。论文详细分析了系统核心处理器选型、包括外围接口的的配制，介绍了基于NiosII嵌入式系统软硬件的设计与实现实验，最终完成了相关软硬件设计，经测试基本实现预期功能。
关键词：SOPC；EP1C6Q240C8；Nios II
The Design and Development of the Project Based on Self-made Nios II Experiment Board
Abstract: SOPC ( System On Programmable Chip ) is Altera Corporation proposed one kind nimble, highly effective SOC solution, it the processor, memory system design demand the and so on I/O mouth, LVDS, CDR function module integrates to programmable component on, constitutes on a programmable piece the system. This design for inserts the type system design based on Nios system SOPC, the design selects Cyclone series EP1C6Q240C8 to take the system core, has set up including the string mouth, FLASH, component the and so on SDRAM hardware platform, assisted to complete the hardware design and the NIOS soft nucleus design; And has completed to based on the self-made NiosII experiment board partial connections test its plan for the experimental project development and the design Paper multianalysis system core processor shaping, including periphery connection the configuration, introduced inserts the type system software and hardware based on NiosII the design and the realization experiment, finally has completed the related software and hardware design, after test basic realization anticipated function.
Key words: SOPC, EP1C6Q240C8, Nios II
目 录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.1.1 GW48系列平台简介 1
1.1.2 嵌入式技术概述 2
1.2 设计的课题背景及其主要内容 4
第2章 SOPC及NIOS软核介绍 5
2.1 SOPC技术介绍 5
2.1.1 片上可编程系统SOPC 5
2.1.2 基于Nios II软核处理器的SOPC系统设计 7
2.1.3 基于QuartusII和NiosII的SOPC基本开发流程 8
2.2 NIOS软核嵌入式处理器概述分析 10
2.2.1 Nios微处理器 10
2.2.2 NIOSⅡ处理器结构 11
2.3 开发调试工具简介 14
2.3.1 NIOS 处理器开发工具——SOPC Builder 14
2.3.2 调试工具——QuartusII 15
2.4 VHDL简介 16
第3章 硬件平台设计 18
3.1 系统整体设计方案 18
3.1.1 核心处理器选型 18
3.1.2 系统整体结构 18
3.2 CPU系统核心设计 19
3.3 外围电路及接口电路设计 21
3.3.1 电源电路 21
3.3.2 晶振电压及PLL电压电路 22
3.3.3 按键电路 22
3.3.4 JTAG接口电路 23
3.3.5 AS接口 24
3.3.6 串行接口 25
3.3.7 VGA口 25
3.4 存储系统设计 25
3.4.1 FLASH存储器接口电路 25
3.4.2 SDRAM存储器接口电路 26
第4章 基于NIOS II实验板的实验设计 28
4.1 QUARTUSII 相关实验 28
4.2 NIOS嵌入式处理器软、硬件设计与实现 29
4.2.1 建立NIOSII嵌入式处理器硬件系统 31
4.2.2 软件调试 38
4.3 外围接口模块测试与相应实验 41
4.3.1 RS232通信方式控制电子琴 41
4.3.2 VGA显示器控制器设计 43
4.3.3 NIOS与LED的接口设计 46
4.3.4 Nois处理器与Flash的接口设计 48
结论 51
致谢 52
参考文献 53
附录1 54
附录2 55
附录3 56
第1章 绪 论
1.1 引言
电子系统的设计已经进入了SOC时代，它对电子系统的设计提出了新的挑战，也为电子、通信工程的教育提供了新的内容。通过PLD来实现的SOC（即SOPC），既是一种SOC的设计方法，又是SOC的实际应用方案。SOPC使得电子整机系统的设计师拥有了方便的在芯片上实现整个系统设计的技术手段。设计SOPC需要在PLD上配置处理器、设计和配置接口和外围电路、编制和调试软件，这对设计师的设计能力提出了新的挑战。为了完成这些复杂的设计工作，需要借助于先进的设计软件。本次设计选用Altera公司的集成了SOPC开发工具的PLD开发软件QuartusII作为PLD，SOPC的设计工具，逐步介绍进行SOPC 设计的各个主要设计环节和设计技术，从而达到能够较熟练地运用设计工具进行SOPC系统设计的目的。
下面就针对整个设计的各个方面逐一介绍：
1.1.1 GW48系列平台简介
我校EDA实验室的主要实验设备GW48实验平台在EDA和FPGA的教学方面具有众多优点。
其专业和应用范围适用面宽，有9大基本方向：
（1）EDA与VHDL教学实验，可完成SOC级EDA实验开发；
（2）电子设计竞赛，GW48系统特别适合于电子设计竞赛培训；
（3）普通数字电路课实验；
（4）基于EDA的电子产品或SOC开发；
（5）科研或研究生培训；
（6）现代计算机组成原理实验；
（7）现代DSP实验开发；
（8）通信实验与相关模块设计；
（9）SOC、SOPC、ASIC实验室建设。
此外它的系统配置标准规范，拥有丰富的实验资源，含国外高校流行的EDA设备中普遍采用的标准扩展接口： VGA视频、PS/2鼠标、PS/2键盘、UART、串行总线EEPROM、大容量RAM/ROM等，以便完成各类常规和典型的EDA实验，还包括国际流行的开发应用相关的实验。它的万能接插口使目标器件可选性宽，方便用户自扩展。GW48主系统设有标准化FPGA/CPLD万能接插端口，用户可根据需要自行设计适配板以开展更多内容的实验科目。
在EDA技术与VHDL语言的教学实验，以及FPGA/CPLD的开发中，GW48系列EDA实验开发系统在全国的许多高校的实验室中担任了十分重要的角色，其受欢迎的程度不断提高，例如大连理工大学、电子科技大学、上海交通大学、武汉大学、西南交通大学等等院校都已经准备或正在使用。
1.1.2 嵌入式技术概述
嵌入式系统(Embedded System)是当今最热门的概念之一，然而到底什么是嵌入式系统?什么样的技术可以称之为嵌入式技术?本小节不仅回答了上述问题，而且对嵌入式技术和它的应用及其发展史作了较全面的介绍。
（1）什么是嵌入式系统
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。
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。
（2）嵌入式系统的特点
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。
③ 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。
④ 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。
⑤ 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，就必须使用多任务操作系统。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。
（3）嵌入式系统的分类
从硬件方面来讲，各种各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件最核心的部分，而通通常根据使用处理器的不同来对嵌入式系统进行分类。嵌入式处理器可以分成以下几类：
① 嵌入式微控制器(Micro Controller Unit MCU)。嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从20世纪70年代末单片机出现到今天，虽然己经有20多年，但是这种电子器件目前在嵌入式设备中仍然有较广泛的应用。微控制器的特点是单片化，体积大大减少，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
② 嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor)。DSP处理器是专门用信号处理方面的处理器，它在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析等方面，DSP获得了大规模的应用。
③ 嵌入式微处理器(Microprocessor Unit)。嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变过来的。嵌入式微处理器与通用计算机处理器有一定的区别，它只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余部分，这样就以最低的功耗和资源满足了嵌入式应用的特殊要求。
④ 嵌入式片上系统(System On Chip)。片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件，是当前嵌入式应用领域的技术热点。从狭义角度讲，SOC是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上。从广义角度讲，SOC就是一个微小型系统，如果说中央处理器是大脑，那么SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。SOC的出现使集成电路发展成为集成系统，整个电子整机的功能可以集成到一块芯片中。SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。设计者不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连结焊制，只需要使用精确的语言，直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真验证就可以到一个SOC系统。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减少了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。
1.2 设计的课题背景及其主要内容
针对自制的NiosII适配板，开发设计相关SOPC实验，一方面可以锻炼基于NiosII的嵌入式软件编程技术，另一方面可以充分利用GW48实验平台的外围实验资源。自制实验板的部分外围资源，能方便学生在寝室等非实验室地点独立使用。
这次设计的主要内容有以下几点：
（1）熟练掌握QuartusII软件和NiosII IDE软件的使用；
（2）学习和掌握基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计技术；
（3）学习基于NiosII软核的软件设计技术；
（4）基于自制NiosII实验板开发设计性实验或综合性实验；
（5）编写基于NiosII实验板实验项目的实验指导书。
嵌入式系统是当今非常热门的研究领域，早期多以单片机为核心，应用领域非常广泛。但单片机系统功能比较简单，速度较慢，难以适应现代技术的快速发展，随着现场可编程逻辑阵列(FPGA)技术的日益成熟，基于片上可编程系统(SOPC)的嵌入式处理器越来越多地受到人们的关注。特别是Altera公司推出的Nios嵌入式处理器软核，通过软件编程的方法可灵活地实现嵌入式处理器的功能，并且针对FPGA进行性能优化，可大大提高系统性能。它还具有片上调试功能，便于系统的设计和调试。Nios嵌入处理器软核在国外已广泛应用于通信、家电和控制等众多领域，国内正在推广应用Nios嵌入处理器的推广和用户的开发。
在这样的环境下，如果我们能自己开发出基于GW48系列实验平台的NiosII实验板，那将使我们在寝室等非实验室地点也能方便独立地使用，节省了大量资源，而且还锻炼了基于NiosII的嵌入式软件编程技术这方面的能力。这就使这次的设计意义重大。
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