NO.3.1 SOPC技术 第5章 Nios II 系统的外围设备

4. 使用IDE Flash Programmer编程 　　完成所有的软/硬件开发工作后，可以使用NiosⅡ IDE提供的Flash Programmer工具将程序下载到FPGA平台上的FLASH存储器中。Flash Programmer是NiosⅡ IDE 6.0提供的新工具，它可以将配置数据、NiosⅡ程序及其他数据文件下载到目标板上的FLASH存储器中，这里所说的FLASH存储器包括业界标准的CFI或CFI兼容的FLASH存储器，以及Altera公司的EPCS系列串行配置器件。 IDE提供flash programmer功能，以帮助用户对flash进行管理和编程

IDE Flash Programmer 通过2个过程将数据写入flash: (1)用Altera提供的“Flash编程设计”对FPGA进行配置； (2) IDE Flash Programmer将文件内容→ “Flash编程设计” → Flash

每个Flash编程设计应包含的元件：

使用IDE Flash Programmer编程，首先要保证在SOPC Builder中，在Target选项区中的Board的下拉列表框中选择用户当前使用的目标板Flash 编程设计。 SmartSOPC_Board_1C6是现用核心板提供的目标板Flash编程设计，可以对核心板上的NOR Flash(元件标号U7)和EPCS (元件标号U10)进行编程。 SOPC Builder使用“目标板flash编程设计”就象用外设元件一样，不同的是外设原件描述的是系统和外设的连接关系，而前者描述系统和电路板之间的关系。前者提供了对flash进行编程所需的全部信息，包括flash的容量、引脚连接等。创建“目标板flash编程设计”方法见5.12

　　使用NiosⅡIDE对FLASH存储器编程的步骤： 启动Nios II IDE。 建立软件工程，然后编译连接（Build Project） 选中要进行编程的工程，然后选Tools>Flash Programmer菜单启动Flash Programmer对话框，如图5.5.2。 单击Flash Programmer对话框左下角的New命令按钮，建立一个新编程任务，可以修改这个新任务的名称。

(5) 在Main页面中可以选择所要编程的内容，包括工程名称、FPGA配置文件的名称以及目标存储器。 若选中program software project into flash memory project,可将工程的.elf文件写入Flash(EPCS)。 若选中program FPGA configuration data into hardware-image region of flash memory,可将FPGA的配置文件写入Flash(EPCS)。 若选中Program file into a flash memory选项，可将二进制文件写入Flash。需要选择要编程的二进制文件及要编程的存储器（U7为Flash,U10为EPCS）。

注意：如果在SOPC Builder中没有指定目标板（smartSOPC_Board_1C6），program flash按钮将是灰色不能使用。 在Project中填入要下载软件的工程名，如hello_led_0；在Nios Ⅱ ELF Executable中填入 .elf文件名，如hello_led_.elf；在FPGA Configuration中填入要下载的硬件配置程序文件，如SmallCore.sof。这样对各个选项按照当前软、硬件配置设置好后，点击Program Flash就可将软、硬件程序下载到Flash目标板上的Flash中(如图5.46所示)。再次复位开发板时，开发板就直接在user模式下运行，即导入的是用户设计的软、硬件程序。 图5.5.2 Flash Programmer对话框

(4) 在Target Connection页面中选择与目标板相连的下载电缆，如图5.5.3。 (5) 设置好这些内容之后，单击Apply按钮，然后单击Program Flash按钮，NiosⅡ IDE重新编译工程并对FLASH存储器进行编程。（若在SOPC Builder中没有指定目标板，则Program Flash按钮将是灰色不能使用。） 从IDE的Console窗口可以看见编程过程。（见图5.5.4） 完成Flash编程后，需让系统重新上电，使FPGA使用EPCS中配置数据重新配置FPGA, 程序才能正常运行。 完成Flash编程后，由于当前的EPCS中的配置上烧写Flash的配置，所以写入Flash的用户程序并不会马上运行。需让系统重新上电，（使FPGA使用EPCS中配置数据重新配置FPGA？）,程序才能正常运行。

图5.5.3 Flash Programmer 中目标连接设置

在console窗口显示编程过程及编程结束标志 图5.5.4

通信接口 目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，应用最为广泛的接口设备包括 RS-232接口（串口UART） USB接口（通用串行总线接口） IrDA（Infra Red Data Association－红外线接口） SPI（串行外围设备接口）、 I2C、CAN总线接口、 蓝牙接口（Bluetooth） Ethernet（以太网接口）、 IEEE1394接口和通用可编程接口GPIO。

5.5 UART内核 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步接收器/发生器）内核带有Avalon接口，为嵌入式系统和外部设备提供了串行字符流动通信方式，其数据以RS-232协议的形式与外界进行交互。 提供可调整的波特率；可配置奇偶校验位、停止位和数据位等。 UART是字符型外设，SOPC Builder提供了UART内核

UART内核的结构框图 NiosII处理器通过访问寄存器来控制内核 内核提供一个高电平有效中断请求输出，接收和发送时请求一个中断。 7，8或9位的txdata保持寄存器和发送移位寄存器 内部波特率时钟通过时钟分频器产生，divisor用来产生波特率时钟 Status每个单独的位反映UART内核的特定状态，control包含控制uart内核操作的位

UART内核寄存器映射 寄存器映射只是对编写内核的驱动程序才有用

UART内核配置选项 1、波特率设置 2、数据位、停止位、奇偶校验位 3、流控制 4、Avalon流控制传输 流控制：选中时，UART硬件包括CTS/RTS端口，Avalon主控器可检测CTS和发送RTS流控制信号

软件编程 Altera提供的驱动程序执行HAL字符模式设备驱动程序。HAL用户应通过熟悉的HAL API函数和ANSI C标准库函数访问UART，而不是访问UART寄存器。 altera_avalon_uart_regs.h 寄存器级访问头文件 altera_avalon_uart.h, altera_avalon_uart.c HAL系统库的UART内核设备驱动程序

实验4.10：ANSI C标准库来访问UART；如果检测到字符’t’，则报告检测到字符’t’；如果检测到字符’v’，则退出程序。 #include<stdio.h> #include<string.h> #include "system.h" int main () { char* msg = "Detected the character 't'.\n"; FILE* fp; char prompt = 0; printf("Please Enter some characters: \n"); fp = fopen (UART_NAME, "r+"); //打开文件进行读和写

if (fp) { while (prompt != 'v') // 循环直至接收到 'v' { prompt = getc(fp); // 从UART中获取字符 if (prompt == 't') { // 如果字符为 't' 打印信息 fwrite (msg, strlen (msg), 1, fp); } if (ferror(fp)) // 检查错误是否在UART连接上出现 clearerr(fp); // 如果是，清除它 fprintf(fp, "Closing the UART file handle.\n"); fclose (fp); else { printf("Fail to open file...\n"); } return 0; }

System.h 描述的UART设备 #define UART_NAME "/dev/uart" #define UART_TYPE "altera_avalon_uart" #define UART_BASE 0x00B00840 #define UART_IRQ 1 #define UART_BAUD 115200 #define UART_DATA_BITS 8 #define UART_FIXED_BAUD 0 #define UART_PARITY 'N' #define UART_STOP_BITS 1 #define UART_USE_CTS_RTS 0 #define UART_USE_EOP_REGISTER 0 #define UART_SIM_TRUE_BAUD 0 #define UART_SIM_CHAR_STREAM "" #define UART_FREQ 48000000

5.6 JTAG-UART内核 具有Avalon接口的JTAG UART核是实现在PC机和FPGA上的SOPC Builder系统间进行串行通信的一种实现方式 JTAG UART用来替代RS-232完成与PC主机的字符输入/输出, NiosII 处理器通过读/写控制和数据寄存器与JTAG UART核通信

5.7 JTAG-UART内核 对于NiosII 处理器, HAL系统库中包含该设备的驱动程序,允许使用ANSI C标准库stdio.h访问JTAG UART核 对PC机, Altera提供JTAG终端软件来管理PC机与目标系统的连接,对JTAG数据流解码和在屏幕上显示字符

JTAG UART核方框图

JTAG UART核配置 缺省的深度值（64）IRQ门限值（8）是最优的，不用改变 较大的值消耗更多的片内存储器资源

软件编程 HAL用户应通过HAL API 和ANSI C 标准库访问JTAG-UART,而不是访问JTAG-UART寄存器。 altera_avalon_jtag_uart_regs.h altera_avalon_jtag_uart.h altera_avalon_jtag_uart.c

例：使用标准库通过JTAG UART核读和发送一个消息 #include <stdio.h> #include <string.h> #include "system.h" int main() { char *msg=“Detected the character ’t’.\n”; FILE *fp; char prompt=0; printf("Please Enter some characters: \n"); fp=fopen(“/dev/jtag_uart”,”r+”); //为读写操作打开文件 If(fp) { while(prompt!=‘v’) //循环直到接收一个”v” { prompt=getc(fp); //从JTAG UART中读取一个字符 if(prompt==‘t’) //若字符是“t”,则输出信息 { fwrite(msg,strlen(msg),1,fp); }

if(ferror(fp)) //检查是否有错误产生 clearerr(fp); } //若有则清除 fprintf(fp,”Closing the JTAG UART file handle.\n”); fclose(fp); } else { printf("Fail to open file...\n"); } return 0; }

5.7 定时器内核 定时器可作为系统的周期性时钟源（Tick）;可以作为计数器测定事件发生的时间；作“看门狗”（Watchdog）。 定时器内核特性： 可控制定时器的启动、停止或复位 两种计数模式：单次减一和连续减一计数模式 计数器达到0时产生中断请求（IRQ） 可作为看门狗定时器 可选择输出周期性脉冲 可由软件使能或屏蔽定时器中断

定时器内核结构框图 定时器计数值由periodl和periodh装入；当前计数值由snapl和snaph读出；可输出IRQ、看门狗复位信号、输出周期脉冲到片外

定时器寄存器 寄存器映射只对开发驱动程序的人员有用。如果使用HAL系统库提供的标准的特性，程序开发人员可以不必通过寄存器来直接访问定时器，应该使用HAL API访问定时器。

1. 状态寄存器（status）

2. 控制寄存器（control）

3. periodl & periodh 寄存器 periodl 和 periodh 寄存器一起存储超时周期的计数值。当对此寄存器进行写操作或内部计数器减到0时，保存在periodl &和periodh 中的值会装载到内部计数器中。

4. snapl & snaph 寄存器 5. 中断操作 可通过对snapl & snaph 寄存器的写操作来获取32位内部计数器的当前值。 只要内部计数器减到0且控制寄存器的ITO位设为1，定时器内核就会产生IRQ.用户可用以下任一方式应答IRQ: 清除状态寄存器的TO位，等待下一个超时事件的发生； 通过将控制寄存器的ITO位清零来禁止中断。

定时器内核(interval timer)配置选项 Timeout Period: 设置periodl 和 periodh 寄存器的初始值，此值可根据系统输入时钟频率和initial period中的设置计算获得。 可使用配置向导指定其硬件特性

定时器内核配置选项 Preset Configurations: 提供的预定义硬件配置： Simple periodic interrupt Full-featured Watchdog

当使能以下各项时： Writeable period:主控制器可通过写periodl 和 periodh改变向下计数周期 Readable snapshot:主控制器可读当前向下计数的值 Start/stop control bits：主控制器可通过写控制寄存器的START和STOP位来启动后停止定时器。 Timeout pulse：当定时器计数到0时将输出持续一个周期的高电平。 System reset on timeout：配置定时器用于看门狗。

软件设计 定时器提供了硬件的寄存器级访问和HAL层的API函数： altera_avalon_time_regs.h: 定义内核的寄存器映射并提供硬件设备访问宏定义； altera_avalon_timer.h、altera_avalon_timer_sc.c、 altera_avalon_timer_ts.c、 altera_avalon_timer_vars.c 实现了HAL系统库的定时器设备驱动程序 （在components/altera_avalon_timer中）

软件设计 HAL API提供如下两种定时器设备的驱动程序： 系统时钟定时器---该驱动程序支持报警（alarms）。 时间戳定时器 -----该驱动程序支持高精度的时间测量。 HAL特定的访问定时器设备的API函数在components/altera_hal/HAL/inc/sys/alt_alarm.h和sys/alt_timestamp.h中定义。

【实验4.5】利用系统时钟服务产生1s的周期性事件，并借此控制LED闪烁 #include <stdio.h> #include "system.h" //包含基本的硬件描述信息 #include "altera_avalon_pio_regs.h" //包含基本的IO寄存器信息 #include "alt_types.h" //Altera定义的数据类型 #include "sys/alt_alarm.h" //系统时钟服务头文件

#ifndef LED_PIO_BASE //这是LED_PIO核的基地址 #define LED_PIO_BASE 0xffffffff //user's definition here #endif #if LED_PIO_BASE == 0xffffffff #error "No definition of LED_PIO core...\n" #define LEDCON 0xff static alt_alarm alarm; //按调用API函数规定定义的变量 static unsigned char led = 0xff;

功能：按调用规定系统时钟回调函数，在该函数中实现用户功能 入口参数：context，系统传给回调函数的参数 出口参数：返回下一次的系统时钟服务的周期值 alt_u32 my_alarm_callback (void* context) { if(led == 0xff){ led = 0x00; }else{ led = 0xff; } IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE,led); //操作IO口 return alt_ticks_per_second(); }

功能：初始化LED_PIO为输出，其余输入，屏蔽中断，清边沿捕获寄存器 void InitPIO(void) { /* LED_PIO为输出，其余输入 */ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LED_PIO_BASE, LEDCON); /* 禁止所有PIO中断 */ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(LED_PIO_BASE, 0x00); /* 清清边沿捕获寄存器 */ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(LED_PIO_BASE, 0x00); }

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE,0xff); //灭LED int main() { InitPIO(); IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE,0xff); //灭LED printf("test alarm...\n"); //打印提示信息 printf("alt_ticks_per_second() is %ld", alt_ticks_per_second()); if (alt_alarm_start (&alarm,alt_ticks_per_second() //启动系统时钟 ,my_alarm_callback,NULL) < 0) printf ("No system clock available\n"); } while(1); //等待时钟事件发生 return 0; 函数原型：int alt_alarm_start (alt_alarm * alarm,alt_u32 nticks,alt_u32(*callback)(void * context),void *context), 功能：启动系统时钟服务(altera_hal/HAL/inc/sys/alt_alarm.h中有其说明，altera_hal/HAL/src/里有alt_alarm_start.c) Alarm:一个指向alt_alarm结构体系类型的指针变量。Nticks:每隔nticks执行一次回调函数。 Callback:用户回调函数指针。 Context:传给回调函数的参数，不需要时填NULL 程序开发者使用HAL API访问定时器设备，HAL API中的参数要用到定时器设备的信息，这些信息在system.h中定义。 Components\altera_avalon_timer(文件夹)\HAL\inc\altera_avalon_timer.h Components\altera_avalon_timer(文件夹)\HAL\src\altera_avalon_timer_sc.c, altera_avalon_timer_ts.c, altera_avalon_timer_vars.c------提供定时器设备的驱动程序的实现

5.8 System ID 内核 SOPC Builder 生成NiosII 系统时，将为每个Nios II系统生成一个标识符，供编译器和用户辨别所运行的程序是否与目标系统匹配。当程序运行在与之不匹配的系统上时会产生不可预测的结果。 系统ID内核寄存器包括ID寄存器（SOPC Builder系统ID）和timestamp寄存器（SOPC Builder 生成时间） 在下载程序运行或调试之前，Nios II IDE 会检查硬件中的系统ID内核是否匹配所期望的软件系统ID，如不匹配，则终止下载。