[FPGA]基于Qsys的Nios II流水灯系统设计

一、基本说明
1、软件平台：Quartus II 13.0(64-bit)
Nios II 13.0 Software Build Tools for Eclipse
2、硬件平台：Altera Cyclone II EP2C8Q208C8N
             EPCS4SI8
             SAMSUNG K4S641632K-UC60
二、设计目标
完成FPGA平台上的流水灯的实现，实现方式：基于Qsys的Nios II系统设计，同时将硬件配置程序和软件程序固化到EPCS中，上电后自动配置FPGA，将程序加载到SDRAM中，实现流水灯的功能。
三、具体步骤
1、打开Quartus II 64-Bit软件，新建工程。单击File -> New Project Wizard，打开New Project Wizard对话框，单击Next>，在what is the working directory for this project?中设置工作目录的位置，如F:/FPGAandCPLD/Demo/NIOS/LED，这里强烈建议大家习惯使用全英文目录，且目录中不要包含空格等。然后设置工程的名称（What is the name of this project?），如LED。最终完成效果如图1所示。
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图 1 Directory,Nmae,Top-Level Entity2、单击Next->，我们没有文件需要添加到当前工程中，所以继续单击Next>进入下一步。这里我们设置器件，使用的Cyclone II系列的EP2C8Q208C8N，先在Family中选择Cyclone II，然后在Available devices中选择EP2C8Q208C8，然后单击Next>进行下一步即可。这里进行EDA Tool设置，由于我们没有进行仿真，所以Simulation行中全部选择为。然后单击Finish完成工程建立。
3、我们单击菜单栏的Tools -> Qsys，使用Qsys工具进行NIOS II软核的设置。首先在左侧的Component Library中搜索Nios II Processor，双击，进入设置，在Core Nios II标签下的Select a Nios II Core栏中选择Nios II/s，至于这三种内核的区别前面的文章中有简单介绍，同时网上也有这方面的介绍，这里就不在赘述。然后针对内核的设置暂时到这，等后面的模块添加完成后在进行进一步设置，先单击Finish完成。
4、下面我们添加JTAG UART，方法同步骤3，双击打开后不用进行任何设置，直接Finish完成即可。
5、下面我们添加System ID Peripheral，同上，双击打开后在Parameters中设置我们希望的系统ID即可，如设置为123，单击Finish完成设置。
6、下面我们添加SDRAM Controller，这里我们使用的SAMSUNG的SDRAM芯片，大小为64M      B = 1M x 16Bit x 4Banks，具体的其他内容大家可以查看其datesheet。这里的具体配置如图2所示。然后单击Finish完成即可。
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7、下面我们添加EPCS/EPCQx1 Serial Flash Controller，这里我们不用进行任何设置，直接单击Finish完成即可。
8、最后我们添加PIO。双击打开后，根据实际需要选择位宽（Width）和方向（Direction），这里我们使用的是3个LED，所以Width设置为3，Direction设置为Output。单击Finish完成设置。
9、至此，所有系统需要的模块已经添加完成，这里我们更改一下各个模块的名称，依次选择各个模块，右击，选择Rename进行名称更改。然后进行连线。然后设置输出名称，同时将右侧的IRQ依次连上，最后在epcs_flash_control后面的小锁单击，将其锁上。具体完成效果图如图3所示。
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10、继续对Nios II内核进行设置。双击打开nios2_qsys，在Core Nios II标签下，Reset vector memory设置为sdram.s1，Exception vector memory设置为epcs_flash_controller.epcs_control_port，然后单击Finish完成设置。
11、下面我们单击菜单栏的System -> Assign Base Addresses，这时我们会发现下面Message中的错误全部消失，然后单击File -> Save进行保存，保存名称为led_nios，然后选择Generation选项卡，单击左下角的Generate进行生成即可。生成时间较长，大家耐心等待。
12、生成完成后，发现会有3 Warnings，这里的警告不影响我们随后的操作，随意我们忽略这3个警告，单击Close后关闭Qsys对话框回到Quartus II主界面。
13、单击菜单栏中的Project -> Add/Remove Files in Project…，选择Files标签，然后在File name中找到我们工程所在文件夹下的led_nios.qsys文件，然后单击Add，将其添加到我们的工程文件中。最后单击OK返回。
13、单击菜单栏的File -> New…，新建一个Block Diagram/Schematic File。然后双击新建的文件的空白处，选择左侧Libraries中的Project中的led_nios，单击OK将其添加到我们工程中。
14、下面添加PLL模块，系统需要两路时钟，一路供给内核，另一路供给SDRAM，同时这两路时钟需要有一定的相位差。双击空白处，打开Symbol对话框，单击MegaWizard Plug-In Manager…，选择Create a new cunstom megafunction variation，单击Next>进行下一步配置。左侧我们搜索ALTPLL，然后选中，右侧在What name do you want for the output file?中后面添加PLL模块的名称，如PLL，完成效果为F:/FPGAandCPLD/Demo/NIOS/LED/PLL。然后单击Next>进行进一步设置。
15、在What is the frequency of the inclk0 input?中设置为50MHz，单击Next>，去掉Create an 'areset' input to asynchronously reset the PLL前面的勾。单击Next>，不进行任何设置，单击Next>，不进行任何设置，单击Next>。勾选use this clock，Clock phase shift设置为-60，然后单击Finish完成设置即可。这是弹出一个Quartus II IP Files对话框，不需要进行任何设置，直接单击Yes即可。回到Symbol对话框，单击OK将其添加。
16、双击空白处，打开Symbol对话框，在Name中搜索input，单击OK添加。同样操作，共添加1个两输入与门（and2）、1个双向接口（bidir）、2个输入接口（input）、10个输出接口（output）。具体连接方式和命名方式如图4所示。
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17、然后单击File -> Save对文件进行保存，命名为LED.bdf。然后单击File -> New，新建一个TCL Scrtipt File，进行引脚分配，具体分配内容见附录一。然后进行保存，命名为pinset.tcl。然后单击Tools -> Tcl Scripts…，选择pinset.tcl，单击Run，然后弹出对话框，单击OK结束。然后回到LED.bdf文件，可以看到现在引脚已经与标号对应起来。然后我们单击Processing -> Start Compilation，进行编译。编译时间较长，耐心等待。编译无误后进入下一步。
18、单击菜单栏Assignments -> Device…，单击Device and Pin Options…，选择Configuration标签，Configuration scheme选择Active Serial(can use Configuration Device)，Configuration device中选择EPCS4；然后选择Unused Pins，Reserve all unused pins选择As input tri-stated，然后选择Dual-Purpose Pins，nCEO设置为Use as regular I/O。然后单击OK完成设置。然后重新编译工程。
至此，硬件部分设计完成，下面进行软件方面的设计。
19、单击菜单栏Tools -> Nios II Software Build Tools for Eclipse，启动Nios II软件开发环境。首先选择Workspace位置，我们定位到和Nios软核共同的文件夹中，即定位到F:\FPGAandCPLD\Demo\NIOS\LED。单击OK继续进行。
20、单击File -> New -> Nios II Application and BSP from Template，在SOPC Information File name中选择我们已经生成的软核信息，即led_nios.sopcinfo。注意，一定要选择对应文件夹下的软核信息，否则由于软硬件不对应导致错误。稍等片刻之后，系统完成对信息的读取，然后自动填写CPU name。下面我们填写Project name，如LED，然后Project template选择Hello word。单击Finish即可完成。
21、右击LED目录下的hello_world.c文件，选择Rename…，这里将名称改为led.c，单击OK完成。然后双击打开该文件。
22、编写代码，具体内容见附录二。
23、右击LED目录，单击Nios II -> BSP Editor，弹出Nios II BSP Editor对话框，然后选择Settings，右侧的设置如图5所示。
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24、单击右下角的Generate，进行生成。生成完成后退出即可。
25、右击LED目录，选择Build Project，进行工程编译，首次编译时间较长，大家耐心等待。编译无误后，即可进行下一步。
至此，软件设计完成，下面进行硬件配置和软件程序的下载，我们统一下载到EPCS中。
26、返回Quartus II，单击Tools -> Programmer，如果Hardware Setup…后面没有显示出下载线，单击Hardware Setup…进行设置，这里就不在多说。然后Mode选择Active Serial Programming。单击右侧的Add File…，进入output_files中，选择LED.pof文件，勾上Program/Configure，单击Start进行下载。注意，这时下载线要接在AS接口上，而不是Jtag接口上。下载完成后关闭即可。
27、返回Nios II。右击Run As -> Nios II Hardware，打开Run Configurations对话框，然后选择Target Connection，单击Refresh Connections，然后找到下载器后单击Apply，最后单击Run，将程序下载到FPGA。注意：不要以为到此结束，这一步并没有将程序下载到EPCS中，而是将程序下载到SDRAM中，如果掉电后程序仍然不存在。
28、单击Nios II -> Flash Programmer，打开Nios II Flash Programmer，单击File -> New…，打开New Flash Programmer Settings File，选择Get flash programmer system details from BSP Settings File，然后BSP Settings File Name选择对应文件夹下的settings.bsp，然后系统读取信息，自动填写其他相关信息，然后单击OK进入下一步。
29、如果Hardware connection中没有任何东西，则单击Connections进行设置，否则直接进行第29步。进入Hardware Connections后，单击右侧的Refresh Connections，进行下载器的自动连接。注意，这时下载线要接在Jtag接口上，而不是继续接在AS接口上。检测出来后，单击System ID Properties…，进行系统ID检测，便于判断是否是我们之前设置的系统。判断无误后关闭Hardware Connections即可。
30、单击Files for flash conversion后面的Add..，先添加.sof文件，即硬件描述文件LED.sof，然后再添加.elf文件，即软件描述文件LED.elf，注意，这两个顺序不能错误，因为FPGA上电后先加载硬件描述文件，配置软核，然后将程序拷贝到SDRAM中，最后执行SDRAM中的程序，所以顺序不能错误。最终添加完成的后的效果如图6所示。注意比对File Generation command和File programming command中的内容。
30、单击Options，将Generate Files、Program Files、Erase Flash Before Programming以及Run From Reset After Programming前面的勾选上，然后单击Staging Directories…对生成的几个文件的位置进行设置，如果有默认位置直接关闭即可，否则需要进行指定。确认无误后，单击Start进行下载即可。

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