NIOS开发结构基础介绍

我们使用VHDL语言，根据FPGA管脚与数码管和按键管脚的连接，通过一系列的语句控制管脚电平的高低，从而让FPGA实现数码管显示功能。可见，对于比较简单的功能实现，可以像这个例子中那样，直接控制最底层资源，甚至对每个管脚在每个时刻的电平输出了如指掌。
    但是，如果设计稍显复杂，那么对底层细节的过多关注就会成为一种累赘。
    试想我们平时在电脑上编写C程序，比如在显示器上输出一行字，我们只用一句printf()即可完成，至于打印命令怎么传到显示芯片上，哪个芯片管脚怎么 变化，又怎么传到显示器上输出，诸如此类涉及底层硬件的问题，我们没必要关注太多。于是，我们把用printf()这类高级语言描述设计逻辑的工作称为软 件设计。显然，软件只是一种抽象的看不见摸不着的东西，它的结构接近于人类思维逻辑。无论软件再怎样构思精妙，只有在硬件上才能体现出实际效果。
    做计算机开发应用程序的时候，硬件是现成的，软硬件之间的桥梁早就由操作系统给你搭好了，我们只需专心完成软件的构思和设计就OK。
    显而易见，软硬件的分工会给电子设计带来极大的方便，自然有人把这种分工方式引进FPGA设计领域，琢磨着怎么在小小的FPGA上也搞个软硬件协同设计，负责硬件设计的和负责软件的各司其职，最后pia一整合，效率倍增。
    来看看nios是怎么做的。拿出DE2开发板，上面很多外设接口和与之连接的芯片，那是硬件，中间有一块大的CycloneII芯片，里面是空的，等着我 们编写程序下载到里面运行，前篇文章我们用最原始的方法写了个数码管控制器，这次我们换种方法，同样是数码管控制器，用软硬件协同设计来完成。
    跟计算机对比，硬件我们有了，软件就用C语言来写，但是nios系统可没提供WinXP，也就是说软件和硬件之间的那座桥还得自己解决。
  
    看上图，这座桥分为3个层次：硬件控制层，设备驱动层，硬件抽象层（简称HAL）。既然是软硬件的过渡部分，那么这3层的设计需要对硬件和软件都有一定程度的了解，姑且称之为“软硬件混杂设计”吧。
    每一层所要完成的任务，就是整合和简化硬件操作细节，整合，再整合，使其一目了然。
 
 
<1> 硬件控制层
    与硬件直接打交道的是硬件控制层。
    上面提到，搭“桥”的目的是让软件设计人员可以完全忽略硬件操作细节，因此，我们希望所有的硬件细节都能在这层解决，并向设备驱动层提供整齐的“接口”。之前的例子可看作硬件控制器的雏形，但还缺少与设备驱动层的接口。
    何为“整齐”呢？比如说，设计数码管控制器，我想让它显示数字“5”，最好的方法是，我将数据“5”和表示“显示”的命令从设备驱动层传给硬件控制层，直 接告诉它：我要“数码管”“显示”“5”。至于要控制哪个管脚电平高低才能显示“5”，全由硬件控制层负责。
    类似这样分工合作的例子在日常生活中屡见不鲜。比如说，邮局要将一封信送给家住A小区的张三，邮递员把信放入A小区的信箱，小区物业再去确认张三的具体住处，把信最终送到张三手中。
    类比可见，邮局相当于设备驱动，物业相当于硬件管理器，张三则是具体的硬件，邮局和物业之间的接口是物业提供的信箱，设备驱动和硬件管理层之间的接口，我们称之为“寄存器”，同样由硬件管理层提供，“寄存器”是两层之间得以明确分工和相互联系的关键。
    设备驱动开发人员眼中的硬件就是一组寄存器的抽象，通过读写寄存器间接控制硬件行为。
    那么，在数码管控制器里加入一个数据寄存器和一个命令寄存器：
  
       data_reg存储待显示的数据，cmd_reg为‘1’时显示，为‘0’时清空。
 
 
<2> Avalon总线
       你可能会说，这有什么？在每个硬件管理器和设备驱动之间都建立一个通道呗。这是最直接的办法，但显然不是最好的办法。试想，城市为什么要建高速公路呢？多 修几十根羊肠小道不也一样能跑车吗？有人回答：为了收养路费呗。$%@&&! 小路上开车，速度慢且不说，管理协调是个大问题，是一条大公路容易管理，还是几十根羊肠容易理顺？
     好了，回到正题，nios系统需要一条“高速公路”，称为“总线”，“总线仲裁器”则行使“交通管理局”的角色，控制数据的进出，并为每个硬件提供一个进 出“高速公路”的接口，用“地址”来标识这个接口的位置。nios采用的是Avalon总线，它有着一套接口规范：
       同步时钟 clk
       片选信号 chipselect
       地址 address
       读请求 read
       读传输 readdata
       写请求 write
       写传输 writedata
       这些是比较重要的接口信号，其它的不一一列举了。硬件控制器要接入总线，必须遵循接口规范，就像高速公路出口必须摆个收费站一样。
  
       那么在数码管控制器里加入Avalon总线信号：
  
    既然加入了两个寄存器和avalon信号，就需要对硬件逻辑进行必要改动，大致过程是，当chipselect和write有效时，将 write_data赋给address对应的寄存器；当chipselect和write有效时，将address对应寄存器的值赋给 read_data。另外，根据这两个寄存器的内容决定数码管输出信号oSEG0。代码不贴出来了，具体见工程压缩包。

 <3> 设备驱动程序
    其实，“总线仲裁器”也可看作一种硬件控制器，只不过它管的不是具体的硬件，而是负责数据的传输。那么它也有自己的设备驱动，封装了总线操作的细节。既然总线是现成的，我们秉承“拿来主义”的原则，甭管它怎么实现的，会用就行。
    例如，数码管设备驱动要把数据“5”和“显示”命令传给数码管控制器，设计两个函数，由于数据和命令的传递必须经过总线，那么需调用总线驱动函数IOWR(基地址, 偏移量, 数据)，另外，读取寄存器用到IORD(基地址, 偏移量)，这两个函数在<io.h>里。
       <io.h>的路径是"..alterakits ios2_60componentsaltera_nios2HALinc"。
       至此，“桥”搭完。
  
    函数功能从字面上很好理解。刚才定义两个寄存器时，data_reg在前面，所以偏移量是0，cmd_reg在后面，偏移量是1。××_REG_MSK称 为掩码，avalon总线数据接口共32位，但我们设计的data_reg位宽是3，cmd_reg位宽为1，掩码的作用在于告知寄存器宽度，知道就行， 实际上用不着。××_REG_OFST是寄存器内的偏移量，这里同样用不着，先写上吧。
    OK，我们的数码管设备驱动文件正式出炉了，看看是不是简洁明了很多啊？

 <4> 硬件抽象层（HAL）
    设备驱动程序封装的仅仅是对某个寄存器的一次读写操作，功能单一，需要在硬件抽象层再做一次封装。
    直接将这些函数列出来，一目了然，不作多余的解释了。
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 至此，“桥”搭完。
  接下来在把我们的“数码管控制器”加入sopc builder系统中。
    现在几乎所有讲nios的书都会提及自定义用户外设，而且用的都是altera官方提供的例子PWM，本文的“数码管控制器”就是照着它依葫芦画瓢改过来 的，呵呵，惭愧惭愧，之所以想改它，一是因为它用的是verilog而不是VHDL，而大多数人先接触却是VHDL；二来PWM的显示效果似乎不太明显， 改成数码管显示相对比较有成就感；第三，PWM的逻辑稍微有一点点复杂，我们的重点在于说明怎样自定义外设，当然例子越简单越好。
    既然是照着PWM原样改的，所以本文工程的结构与之保持高度一致，将其加入sopc builder的步骤也差不多，这里我就不再码字了，各位照着书上做吧：
    《SOPC嵌入式系统基础教程（周立功等著）》第8章……
    再接下来，建立一个包含“数码管控制器”的nios系统，并编写应用程序，实现从0到9计数。
    贴张官方的nios设计流程图，看起来很漂亮是吧，不愧是altera的东西，大而全而不乱。
  
       先说最中间的"SOPC Builder"，它的任务是建立一个“以Nios CPU为核心，以Avalon总线为纽带，将各种硬件设备连接起来”的nios系统；这个系统要在FPGA中运行，所以必须挂靠一个Quartus II工程，用左边的Quartus II进行分配引脚等等工作，生成硬件系统；接着，右边的Nios II IDE就可以在这个硬件系统上设计应用程序了；最后将硬件系统和软件程序分别下载到FPGA芯片上，大功告成。
       下面step by step
       <1> Quartus II 新建一个工程名，工程名"DE2_SEG7"。
       <2> "Tool" → "SOPC Builder" 打开SOPC Builder。
       <3> "System Name": nios2_system   选VHDL。
       一个包含“数码管控制器”的最小系统至少由3部分组成：CPU必不可少，RAM存储代码，还有刚才设计的"seg7_avalon"。
       <4> 加入"Nios II Processor"，选"Nios II/e"，精简型够用了。
       <5> 加入"On-Chip Memory"，类型选"RAM"，位宽默认"32 bits"，"Total Memory"选"48Kbytes"，等会儿软件要占用四十多K空间。
       <6> 加入"seg7_avalon"。
       <7> 将这三个组件的名称改好看点，然后设定RAM的基地址为"0x00000000"，再右键锁定基地址，如图：
  
       为什么要锁定RAM的基地址为0呢？点选第二个选项卡，可以看到"Reset Address"对应着RAM，系统的复位肯定要从地址0开始。
  
       <8> 由于刚才人为改动了地址分配，弄乱了，让系统自动再分配一次，当然被锁定的RAM基地址是不会变的。"System" →"Auto-Assign Base Addresses"。最终系统组件列表如下：
  
    注意，seg7的地址范围是"0x00010800"→"0x00010807"，占8个地址，nios系统的地址按字节分配，也就是说，每个字节占用一 个地址，数码管控制器中定义了两个寄存器，avalon总线规定每个寄存器占32位（实际上是不是32位它就不管了，反正按最大32位分配），这样两个寄 存器共占去8个字节，自然需要8个地址。
       <9> 点击"Generate"生成nios系统，回到Quartus II。
       <10> 新建一个顶层文件"File"→"New"→"Block Diagram/Schematic File"，引入nios II系统，增加输入输出引脚。然后，"Assignment"→"Import Assignment"，添加引脚分配文件（在DE2光盘目录下的DE2_tutorialsdesign_files DE2_pin_assignments.csv），改动顶层文件的引脚名称使其与.csv文件中保持一致。
  
       <11> 编译，查看编译报告，可见，48K的RAM占用了芯片83%的memory bits，差不多耗光了。
  
       <12> 硬件部分已经搞定，关掉Quartus II，打开Nios II IDE，切换到工作目录下。
       <13> "File"→"New"→"C/C++ Application"，"SOPC Builder System"选择"nios2_system.ptf"（就是刚才Generate Nios II系统生成的东东），再选模板"Hello World"（纯属偷懒 ），顶上的"name"改成"seg_example"，"Finish"。
       <14> 改动hello_world.c，代码的功能为：先初始化数码管，等待2秒钟，再进行0-9的循环，循环过程中穿插2秒钟的清屏。SEG7_BASE的宏 定义在system.h中，实际上就是在SOPC Builder中的seg7_avalon的基地址0x00010800。
  
       <15> "Project"→"Build Project"，得到编译报告，软件占用了7K空间……
  
       <16> 下载到DE2板上，运行，数码管不停地闪啊闪。
       OK，从硬件到软件的一条龙讲完了。