嵌入式技術(shù)概述-SOPC硬件開發(fā)環(huán)境及硬件開發(fā)流程介紹

1、嵌入式技術(shù)概述 SOPC硬件開發(fā)環(huán)境及硬件開發(fā)流程劉蘭軍8/8/2022SOPC設計的主要工作 硬件設計：Quartus、SOPC Builder 軟件設計：Nios IDE8/8/20222系統(tǒng)需求分析SOPC硬件設計流程系統(tǒng)所需的計算性能、帶寬、吞吐量、接口類型以及多線程軟件支持等。創(chuàng)建工程創(chuàng)建NiosII系統(tǒng)模塊Nios內(nèi)核和標準外設用戶定制指令與外設集成NiosII系統(tǒng)模塊到工程自定義功能模塊標準庫模塊連接各工功能模塊引腳分配編譯設置編譯工程生成SOF配置文件下載SOF配置文件到FPGA若需要，用戶可以定制指令和外設邏輯。在SOPC Builder中添加所需的功能模塊（Nios II核

2、、標準外設模塊），完成后生成一個系統(tǒng)模塊。SOPC的硬件設計開始均需要建立建立一個工程，Quartus II是以工程的方式對設計過程進行管理。工程中建立的頂層模塊文件.bdf相當于傳統(tǒng)電路設計中的電路板（PCB）。8/8/20223系統(tǒng)需求分析SOPC硬件設計流程創(chuàng)建工程創(chuàng)建NiosII系統(tǒng)模塊Nios內(nèi)核和標準外設用戶定制指令與外設集成NiosII系統(tǒng)模塊到工程自定義功能模塊標準庫模塊連接各功能模塊引腳分配編譯設置編譯工程生成SOF配置文件下載SOF配置文件到FPGA當標準庫模塊不能滿足設計要求時，可設計定制邏輯模塊。Quartus II中包含了大量的Altera公司提供的LPM功能模塊，相

3、當于傳統(tǒng)設計中除處理器外的邏輯芯片(如74系列)在工程頂層模塊中，分別添加SOPC Builder生成的NIOS系統(tǒng)模塊、LPM功能模塊以及用戶自定義功能模塊。將各個功能模塊用連線連起來組成系統(tǒng)功能原理圖這兩過程類似傳統(tǒng)PCB設計中：將所有芯片焊接到電路板上，通過PCB上的連線將各個芯片連接起來，組成電路系統(tǒng)。 8/8/20224系統(tǒng)需求分析SOPC硬件設計流程創(chuàng)建工程創(chuàng)建NiosII系統(tǒng)模塊Nios內(nèi)核和標準外設用戶定制指令與外設集成NiosII系統(tǒng)模塊到工程自定義功能模塊標準庫模塊連接各功能模塊引腳分配編譯設置編譯工程生成SOF配置文件下載SOF配置文件到FPGA為系統(tǒng)選擇芯片載體，并為各

4、個I/O信號分配芯片管腳；設置編譯選項，讓編譯器按照用戶設定進行編譯；編譯系統(tǒng)生成硬件系統(tǒng)的配置文件*.sof和*.pof。編譯過程包括編譯、綜合、適配、布線、時序分析等。 將配置文件.sof下載到FPGA8/8/20225SOPC硬件設計實例電子鐘設計設計要求：1)在液晶屏上顯示日期、時間 2)可以設置日期、時間系統(tǒng)所需外圍器件：LCD，電子鐘顯示屏幕 按鍵，電子鐘設置功能鍵 Flash，存儲軟、硬件程序 SRAM，程序運行內(nèi)存SOPC硬件系統(tǒng)模塊： Nios II CPU、定時器、按鍵PIO、LCD控制器、AVALON三態(tài)橋、外部SRAM接口、外部Flash接口JTAG UART、EPCS

5、串行Flash控制器8/8/20226SOPC硬件設計實例電子鐘設計：1）創(chuàng)建Quartus工程運行 Quartus II 6.0軟件，選擇: File菜單New Project Wizard, 出現(xiàn)Introduction頁面 8/8/20227SOPC硬件設計實例電子鐘設計：1）創(chuàng)建Quartus工程工程名稱的設定、工作目錄的選擇頁面 工程名和頂層實體名必須相同，且為英文工程目錄必須為英文8/8/20228SOPC硬件設計實例電子鐘設計：1）創(chuàng)建Quartus工程工程文件添加頁面 8/8/20229SOPC硬件設計實例電子鐘設計：1）創(chuàng)建Quartus工程工程器件選擇頁面 器件過濾器8/8

6、/202210SOPC硬件設計實例電子鐘設計：1）創(chuàng)建Quartus工程工程相關(guān)EDA工具選擇頁面 8/8/202211SOPC硬件設計實例電子鐘設計：1）創(chuàng)建Quartus工程工程總體信息說明頁面 開發(fā)過程中可以通過菜單assignment Settings對工程配置進行修改8/8/202212SOPC硬件設計實例電子鐘設計：1）創(chuàng)建Quartus工程工程創(chuàng)建完成頁面 工程實體名8/8/202213SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-1）創(chuàng)建頂層實體：在新建的工程窗口中，選擇FileNew；在Device Design File選項卡中，選擇Block Diagram

7、Schematic File，即原理圖文件，單擊OK。8/8/202214SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-1）創(chuàng)建頂層實體：選擇FileSave As；確定Add to Current Project選項被選中，點擊“保存”，文件被保存并被加入到工程中。8/8/202215SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊：啟動SOPC Builder，選擇ToolsSOPC Builder，出現(xiàn)Create New System對話框。8/8/202216SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios

8、系統(tǒng)模塊8/8/202217SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊：在SOPC Builder中，選擇FileNew Components，可創(chuàng)建用戶自定制組件。8/8/202218SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊：在SOPC Builder中，選擇FileNew Board Descriptions，新的目標板描述。8/8/202219SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 1)添加NIOS CPU，Avalon Components 中選擇Nio

9、s II Processor。8/8/202220SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 1)添加NIOS CPU，Caches & Tightly Coupled Memories設置。8/8/202221SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊：1)添加NIOS CPU， Advanced Features設置。8/8/202222SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 1)添加NIOS CPU， JTAG Debug Module設置。8/8/202

10、223SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 1)添加NIOS CPU，Custom Instructions設置。8/8/202224SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 1)完成NIOS CPU的添加。8/8/202225SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊：其他IP模塊的添加。定時器PIO（按鍵）LCD控制器Avalon三態(tài)總線橋：External SRAM Bus、External Flash Bus External SRAM interf

11、aceExternal Flash InterfaceJTAG UART8/8/202226SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 2)定時器的添加，在Avalon components中的other庫中選擇Interval Timer。8/8/202227SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 3) PIO（按鍵）的添加，在Avalon components中的other庫中選擇PIO 。8/8/202228SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 4

12、) LCD控制器的添加，在Avalon components中的display庫中選擇Character LCD(162, Optrex 16027) 。8/8/202229SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 5) Avalon三態(tài)總線橋的添加，在Avalon components中的Bridge庫中選擇Avalon Tri-State Bridge 。8/8/202230SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 6)外部SRAM接口的添加，在Avalon components中的Memory庫中

13、選擇Cypress CY7C1380C SSRAM 。8/8/202231SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 7)外部FLASH接口（按鍵）的添加，在Avalon components中的Memory庫中選擇Flash Memory（Common Flash Interface） 。8/8/202232SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 8) JTAG UART的添加，在Avalon components中的communication庫中選擇JTAG UART 。8/8/202233SOPC

14、硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊： 9) Nios系統(tǒng)的連接。外部SRAM接口與SRAM三態(tài)橋的連接、外部Flash接口與Flash三態(tài)橋連接，其他IP的連接都是系統(tǒng)自動完成的。8/8/202234SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-3）分配系統(tǒng)各IP模塊的地址和中斷號8/8/202235SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-4）配置Nios系統(tǒng)Boot loader 存儲器異常向量表存儲器包含JTAG DEBUG模塊時顯示，不可修改8/8/202236SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)

15、模塊2-5）生成Nios系統(tǒng)8/8/202237SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-6）添加Nios系統(tǒng)模塊到工程8/8/202238SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用ALTERA提供Mega庫添加鎖相環(huán)2-8）添加系統(tǒng)的I/O端口8/8/202239SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL點擊ToolsMegaWizard Plug-In Manager8/8/202240SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/2022

16、41SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202242SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202243SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202244SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202245SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202246SOPC硬件設計實例電子鐘

17、設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202247SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202248SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-7）利用Mega庫添加鎖相環(huán)PLL8/8/202249SOPC硬件設計實例電子鐘設計：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-8）添加I/O端口在頂層實體的BDF窗口的空白處雙擊鼠標，出現(xiàn)Symbol窗口，在alteraquartuslibraries下面選擇primitives，再在其下選擇pin8/8/202250SOPC硬件設計實例電子鐘設計

18、：2）創(chuàng)建Nios系統(tǒng)模塊2-9）NIOS系統(tǒng)連接8/8/202251SOPC硬件設計實例電子鐘設計：3）設計優(yōu)化3-1）面積和速度的優(yōu)化8/8/202252SOPC硬件設計實例電子鐘設計：3）設計優(yōu)化3-2）時序約束與設置8/8/202253SOPC硬件設計實例電子鐘設計：3）設計優(yōu)化3-3）Fitter設置8/8/202254SOPC硬件設計實例電子鐘設計：4）工程編譯工程編譯：分析與綜合、適配、匯編、時序分析4-1）編譯設置8/8/202255SOPC硬件設計實例電子鐘設計：4）工程編譯工程編譯：分析與綜合、適配、匯編、時序分析4-2）器件引腳分配1）使用Assignments Editor來分配，選擇Assignments菜單中的pins或者Assignments Editor；2）使用TCL腳本一次性分配所有的引