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Avalon總線IP核的定制-（深入了解軟件編程的奧秘）NIOS II是一個(gè)建立在FPGA上的嵌入式軟核處理器，除了可以根據(jù)需要任意添加已經(jīng)提供的外設(shè)外，用戶還可以通過定制用戶邏輯外設(shè)和定制用戶指令來實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用要求。這節(jié)我們就來研究如何定制基于Avalon總線的用戶外設(shè)。 SOPC Builder提供了一個(gè)元件編輯器，通過這個(gè)元件編輯器我們就可以將我們自己寫的邏輯封裝成一個(gè)SOPC Builder元件了。下面，我們就以PWM實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹一下定制基于Avalon總線的用戶外設(shè)的過程。 我們要將的PWM是基于Avalon總線中的Avalon Memory Mapped Interface (Avalon-MM)，而Avalon總線還有其他類型的設(shè)備，比如Avalon Streaming Interface (Avalon-ST)、Avalon Memory Mapped Tristate Interface等等，在這里我就不詳細(xì)敘述了，需要進(jìn)一步了解的請(qǐng)參考ALTERA公司的Avalon Interface Specifications（mnl_avalon_spec.pdf）。 Avalon-MM接口是內(nèi)存映射系統(tǒng)下的用于主從設(shè)備之間的讀寫的接口，下圖就是一個(gè)基于Avalon-MM的主從設(shè)備系統(tǒng)。而我們這節(jié)需要做的就是下圖高亮部分。他的地位與UART，RAM Controller等模塊并駕齊驅(qū)的。 Avalon-MM接口有很多特點(diǎn)，其中最大的特點(diǎn)就是根據(jù)自己的需求自由選擇信號(hào)線，不過里面還是有一些要求的。建議大家在看本文之前，先看一遍Avalon Interface Specifications，這樣就能對(duì)Avalon-MM接口有一個(gè)整體的了解。 下圖為Avalon-MM外設(shè)的一個(gè)結(jié)構(gòu)圖， 理論的就說這些，下面我們舉例來具體說明，讓大家可以更好的理解。構(gòu)建HDL 我們這一節(jié)是PWM為例，所以首先，我們要構(gòu)建一個(gè)符合Avalon-MM Slave接口規(guī)范的可以實(shí)現(xiàn)PWM功能的時(shí)序邏輯，在這里，我們利用Verilog語(yǔ)言來編寫。在程序中會(huì)涉及到Avalon信號(hào)，在這里，我們說明一下這些信號(hào)（其中，方向以從設(shè)備為基準(zhǔn)）HDL中的信號(hào) Avalon信號(hào)類型 寬度 方向 描述 clkclk1input同步時(shí)鐘信號(hào)reset_nreset_n1input復(fù)位信號(hào)，低電平有效chipselectchipselect1input片選信號(hào)addressaddress2input2位地址，譯碼后確定寄存器offsetwritewrite1input寫使能信號(hào)writedatawritedata32input32位寫數(shù)據(jù)值readread1input讀時(shí)能信號(hào)byteenablebyteenable1input字節(jié)使能信號(hào)readdatareaddata32output32位讀數(shù)據(jù)值此外，程序中還包括一個(gè)PWM_out信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是PWM輸出，不屬于Avalon接口信號(hào)。 PWM內(nèi)部還包括使能控制寄存器、周期設(shè)定寄存器以及占空比設(shè)置寄存器。設(shè)計(jì)中將各寄存器映射成Avalon Slave端口地址空間內(nèi)一個(gè)單獨(dú)的偏移地址。沒個(gè)寄存器都可以進(jìn)行讀寫訪問，軟件可以讀回寄存器中的當(dāng)前值。寄存器及偏移地址如下：寄存器名 偏移量 訪問屬性 描述 clock_divide_reg00讀/寫設(shè)定PWM輸出周期的時(shí)鐘數(shù)duty_cycle_reg01讀/寫設(shè)定一個(gè)周期內(nèi)PWM輸出低電平的始終個(gè)數(shù)control_reg10讀/寫使能和關(guān)閉PWM輸出，為1時(shí)使能PWM輸出程序如下：view sourceprint?001module PWM(002 clk,003 reset_n,004 chipselect,005 address,006 write,007 writedata,008 read,009 byteenable,010 readdata,011 PWM_out);012 013input clk;014input reset_n;015input chipselect;016input 1:0address;017input write;018input 31:0 writedata;019input read;020input 3:0 byteenable;021output 31:0 readdata;022output PWM_out;023 024reg 31:0 clock_divide_reg; 025reg 31:0 duty_cycle_reg; 026reg control_reg;027reg clock_divide_reg_selected;028reg duty_cycle_reg_selected;029reg control_reg_selected;030reg 31:0 PWM_counter;031reg 31:0 readdata;032reg PWM_out;033wire pwm_enable;034 035/地址譯碼 036always (address)037begin038 clock_divide_reg_selected=0;039 duty_cycle_reg_selected=0;040 control_reg_selected=0;041 case(address)042 2b00:clock_divide_reg_selected=1;043 2b01:duty_cycle_reg_selected=1;044 2b10:control_reg_selected=1;045 default:046 begin047 clock_divide_reg_selected=0;048 duty_cycle_reg_selected=0;049 control_reg_selected=0;050 end051 endcase052end 053 054/寫PWM輸出周期的時(shí)鐘數(shù)寄存器 055always (posedge clk or negedge reset_n)056begin057 if(reset_n=1b0)058 clock_divide_reg=0;059 else060 begin061 if(write & chipselect & clock_divide_reg_selected)062 begin063 if(byteenable0)064 clock_divide_reg7:0=writedata7:0;065 if(byteenable1)066 clock_divide_reg15:8=writedata15:8;067 if(byteenable2)068 clock_divide_reg23:16=writedata23:16;069 if(byteenable3)070 clock_divide_reg31:24=writedata31:24;071 end072 end073end074 075/寫PWM周期占空比寄存器 076always (posedge clk or negedge reset_n)077begin078 if(reset_n=1b0)079 duty_cycle_reg=0;080 else081 begin082 if(write & chipselect & duty_cycle_reg_selected)083 begin084 if(byteenable0)085 duty_cycle_reg7:0=writedata7:0;086 if(byteenable1)087 duty_cycle_reg15:8=writedata15:8;088 if(byteenable2)089 duty_cycle_reg23:16=writedata23:16;090 if(byteenable3)091 duty_cycle_reg31:24=writedata31:24;092 end093 end094end095 096/寫控制寄存器 097always (posedge clk or negedge reset_n)098begin099 if(reset_n=1b0)100 control_reg=0;101 else102 begin103 if(write & chipselect & control_reg_selected)104 begin105 if(byteenable0)106 control_reg=writedata0;107 end108 end109end110 111/讀寄存器 112always (address or read or clock_divide_reg or duty_cycle_reg or control_reg or chipselect)113begin114 if(read & chipselect)115 case(address)116 2b00:readdata=clock_divide_reg;117 2b01:readdata=duty_cycle_reg;118 2b10:readdata=clock_divide_reg)136 PWM_counter=0;137 else138 PWM_counter=PWM_counter+1;139 end140 else141 PWM_counter=0;142 end143end 144 145always (posedge clk or negedge reset_n)146begin147 if(reset_n=1b0)148 PWM_out=1b0;149 else150 begin151 if(pwm_enable)152 begin153 if(PWM_counter=duty_cycle_reg)154 PWM_out=1b1;155 else156 PWM_out=1b0;157 end158 else159 PWM_out=1b0;160 end161end162 163endmodule上面的程序保存好以后，命名為PWM.v，并將其存放到工程目錄下。硬件設(shè)置 接下來，我們就通過SOPC Builder，來建立PWM模塊了。首先，打開Quartus軟件，進(jìn)入SOPC Builder。進(jìn)入后，點(diǎn)擊下圖紅圈處點(diǎn)擊后，如下圖所示，點(diǎn)擊Next，點(diǎn)擊后，如下圖所示，點(diǎn)擊下圖紅圈處，將我們剛才建立的PWM.v加進(jìn)來。（我將PWM。v放到了工程目錄下的pwm文件夾下）加入后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)PWM.v文件進(jìn)行分析，如下圖所示，出現(xiàn)紅圈處的文字，說明分析成功，點(diǎn)擊close，關(guān)閉對(duì)話框。然后點(diǎn)擊Next，如下圖所示，通過下圖，我們可以看到，PWM.v中的信號(hào)都出現(xiàn)在這里面了。我們可以根據(jù)我們的功能要求來配置這些信號(hào)，其中，Interface是Avalon接口類型 ，它包括Avalon-MM、Avalon-ST、Avalon Memory Mapped Tristate Interface等等。Signal Type指的是各個(gè)Avalon接口類型下的信號(hào)類型。PWM.v中的信號(hào)我們已經(jīng)在前面都介紹過了，大家按照上面的要求設(shè)置就可以了。默認(rèn)情況只有PWM_out需要改動(dòng)，如下圖示紅圈處設(shè)置，其中，Interface在下拉菜單中選擇下圖紅圈處所示的選項(xiàng)。上面的選項(xiàng)都設(shè)置好以后，點(diǎn)擊Next，如下圖所示，我們通過下圖紅圈處的下拉條向下拉拉到下圖所示位置停止，我們將紅圈處的改選為NATIVE,這個(gè)地方就是地址對(duì)齊的選項(xiàng)，我們選擇為靜態(tài)地址對(duì)齊。其他的地方都默認(rèn)，不需要改動(dòng)。 這里面還有很多選項(xiàng)，其中Timing部分需要說明一下，PWM的Avalon Slave端口與Avalon Slave端口時(shí)鐘信號(hào)同步，讀/寫時(shí)的建立很保持時(shí)間為0，因?yàn)樽x、寫寄存器僅需要一個(gè)時(shí)鐘周期，所以讀/寫時(shí)為0等待切不需要讀延時(shí)。接著點(diǎn)擊Next，如下圖所示，其中紅圈處需要注意，這個(gè)地方需要可以建立新組，然后在SOPC Builder中體現(xiàn)出來。點(diǎn)擊Finish后，會(huì)出現(xiàn)下面的對(duì)話框，點(diǎn)擊Yes，就會(huì)生成一個(gè)PWM_hw.tcl腳本文件，大家可以打開看一下，里面放置的是剛才我們配置PWM時(shí)候的配置信息。上面都完成以后，我們回到了SOPC Builder界面，我們?cè)谧髠?cè)邊欄中可以找到下圖所示的紅圈處大家看到了吧，MyIP就是我們剛才建立的group。雙擊PWM，我們建立PWM模塊，如下圖點(diǎn)擊Finish，完成建立。這里還需要設(shè)置一步，點(diǎn)擊下圖紅圈處點(diǎn)擊后，如下圖所示，點(diǎn)擊IP Serarch Path，然后點(diǎn)擊Add，添加PWM.v所在位置的路徑添加后，如下圖所示 點(diǎn)擊Finish完成。設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)是為了讓SOPC Builder可以找到PWM.v的位置。不然就會(huì)出現(xiàn)下次你進(jìn)入SOPC Builder的時(shí)候PWM模塊無效的問題。接下來的工作就是自動(dòng)分配地址，分配中斷，編譯，等待. 編譯好以后，我們回到Quartus軟件界面，我們可以看到，PWM出現(xiàn)了，我將它接到了一個(gè)LED上了，我們可以通過PWM改變LED的亮度，實(shí)現(xiàn)LED漸亮漸滅的過程。接下來又是編譯，等待. 做好硬件部分工作以后，我們打開NIOS IDE，開始軟件編程部分。軟件開發(fā) 首先對(duì)工程重新編譯一次，Ctril+B，等待. 編譯好以后，我們來看一