电子工程系实验指导书SoPC系统开发.docx
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电子工程系实验指导书SoPC系统开发
SoPC系统开发
实验指导书
引言
《SoPC系统开发》是电子信息工程（嵌入式系统工程方向）必修课，是以《数字电路》，《程序设计基础（C语言）》和《数字系统设计》为先导课程，为后续课程的实施，以及参加工作或者继续深造奠定基础的课程，也是一门实践性很强的课程。
通过这门课程的学习，使学生熟练掌握SoPC系统开发的基本理论和基本方法；掌握SoPC系统开发的实践方法，获得实践技能的基本训练；培养学生分析问题和解决问题的能力，深化和扩展对课程内容的理解。
本门课程理论内容包括：
SoPC设计绪论，SoPC硬件设计流程，SoPC软件设计流程，相关EDA工具，NiosⅡ体系结构，Avalon总线规范等。
实践内容包括：
片上最小系统、片外SDRAM、PIO输出—LED、PIO输入—中断、IntervalTimer和基于SoPC的USB画笔设计与实现等。
本实验指导书旨在对《SoPC系统开发》课程的实验进行规范，内容包括：
实验目的和要求、设备或环境、实验原理、实验内容等。
学生可遵照本实验指导书内容完成相应实验并提交实验报告。
设备与工具
这章主要介绍本实验指导书中会用到的硬件设备。
DE2-115FPGA开发板
一、概述
DE2系列平台一直位居于国内外FPGA教育开发平台的领先地位。
因其拥有适应各种应用需求的丰富接口及工业等级的设计资源，成为全球1000所名校实验室中的首选。
延续DE2系列开发平台之领先和成功，搭载CycloneIVE芯片之DE2-115开发平台，不仅提供客户一个低功耗，丰富逻辑资源，大容量存储器以及DSP功能的选择，而且搭配了丰富的外围接口，以满足对移动视频、语音、数据接入及高品质图像的开发需求。
二、使用说明
DE2-115开发板包括以下硬件资源：
•AlteraCyclone®IV4CE115FPGA器件
•Altera系列配置–EPCS64
•板上USBBlaster用于编程，同时支持JTAG模式和AS模式
•2MBSRAM
•2片64MBSDRAM
•8MB闪存
•SD卡插槽
•4个按钮开关
•18个滑动开关
•18个红色LEDs
•9个绿色LEDs
•50MHz晶振提供给时钟源
•24-bitCD-品质声道CODEC带有线路输入,线路输出和麦克风输入接口
•VGADAC（8-比特高速三通道DACs）带有VGA输出接口
•TV解码器（NTSC/PAL/SECAM）和TV输入接口
•2千兆以太网PHY带RJ45连接器
•带有A类和B类USB接口的USB主从控制器
•RS-232收发器和9针连接器
•PS/2鼠标/键盘接口
•IR收发器
•2个SMA接头，用于外部时钟输入/输出
•1个40-pin扩展口，带二极管保护
•1个HSMC连接器
•16x2LCD模组
该开发板使用说明请参见《DE2-115UserManual》。
实验一：
片上最小系统和片外SDRAM
一、目的和要求
1、完成基于Qsys的片上最小硬件系统设计
2、完成基于SBT的软件开发流程（HelloWorld!
）
3、在片上最小系统基础上添加SDRAM
二、设备或环境
DE2-115FPGA开发板
三、实验原理
利用Qsys搭建最小硬件系统（NIOSIICPU、JTAGUART、SYSTEMID、On-ChipMemory），应用SBT创建HelloWorld!
模板的软件工程，在DE2-115FPGA开发板上系统软硬件能够正常运行。
四、实验内容
1、最小系统硬件设计
（1）创建Quartus工程，工程存放路径及工程名可自行定义（不要包含中文）。
Device配置如下图所示。
（2）新建顶层原理图文件（文件名与工程名一致），并保存，如下图所示。
（3）单击Tools->Qsys->ComponentLibrary->EmbeddedProcessors->NiosIIProcessor，配置如下图所示。
单击finish。
（4）单击ComponentLibrary->InterfaceProtocols->Serial->JTAGUART，配置如下图所示，单击finish。
（5）单击ComponentLibrary->Peripherals->DebugandPerformance->SystemIDPeripheral，配置如下图所示，单击finish。
（6）单击ComponentLibrary->MemoriesandMemoryControllers->On-Chip->On-ChipMemory（RAMorROM），配置如下图所示，单击finish。
（7）AVALON总线连接关系如下图所示。
（8）双击NiosIICPU，将ResetVector和ExceptionVector修改为片内存储器onchip_memory，如下图所示。
（9）单击System菜单下面的AssignBaseAddress和AssignInterruptnumbers，自动进行地址和中断号分配。
（10）单击Generation选项卡下面的Generate按钮，生成系统。
（11）双击顶层原理图空白处，添加硬件如下图所示，单击OK。
（12）在顶层原理图中，右键单击上述Symbol，在弹出的菜单中，左键单击选择GeneratePinsforSymbolPorts，如下图所示。
（13）单击StartAnalysis&Synthesis，如
所示。
（14）分配管脚如下图所示。
（15）编译并通过JTAG将设计下载到FPGA中。
2、最小系统软件设计（HelloWorld!
）
（1）双击SBT，选择软件工程路径（不含中文）。
（2）单击NiosIIApplicationandBSPfromTemplate，如下图所示。
（3）新建应用程序工程和BSP工程，单击finish，如下图所示。
（4）新建软件工程（Hello_world模板），如下图所示。
（5）右键单击ProjectExplorer的Hello工程，选择BuildProject。
（6）右键单击ProjectExplorer的Hello工程，选择RunAs->NiosIIHardware。
如果系统硬件及软件正常运行，将在SBT的Console中打印显示“HellofromNiosII!
”。
3.在片上最小系统基础上添加SDRAM
（1）将上次实验得到的QuartusII工程打开，单击Tools->Qsys，将上次实验得到的片上最小系统打开，如下图所示。
右键单击onchip_memory2_0，单击remove，将其移除。
（2）双击ComponentLibrary->MemoriesandMemoryControllers->ExternalMemoryInterfaces->SDRAMInterfaces->SDRAMController，配置信息如下图所示，单击finish。
（3）AVALON总线连接关系如下图所示，双击图中的两个椭圆形区域（将对应IP的引脚输出），单击图中圆形区域（连接中断）。
（4）双击NiosIICPU，将ResetVector和ExceptionVector修改为如下图所示。
（5）单击System菜单下面的AssignBaseAddress和AssignInterruptnumbers，自动进行地址和中断号分配。
（7）单击Generation选项卡下面的Generate按钮，生成系统。
（8）将顶层原理图中设计删除，双击顶层原理图空白处，添加硬件如下图所示，单击OK。
（9）在顶层原理图中，右键单击上述Symbol，在弹出的菜单中，左键单击选择GeneratePinsforSymbolPorts，如下图所示。
（10）双击顶层原理图空白处，添加输出引脚，如下图所示，单击OK。
将此引脚重命名为Sdram_clock，与clk_clk输入引脚相连，如下图所示。
（11）单击StartAnalysis&Synthesis，如
所示。
（12）分配管脚如下图所示。
（12）编译并通过JTAG将设计下载到FPGA中。
五、实验结果及实验报告内容
（1）最小系统硬件设计过程。
（2）最小系统软件设计过程。
（3）在片上最小系统基础上添加SDRAM硬件设计过程。
（4）实验过程中遇到的问题和解决办法。
实验二：
PIO输出—LED
一、目的和要求
1、扩展PIO输出
2、利用PIO输出控制LED
二、设备或环境
DE2-115FPGA开发板
三、实验原理
创建硬件系统（NIOSIICPU、JTAGUART、SYSTEMID、SDRAM、EPCS）基础上，添加PIO控制器，实现系统对LED的控制。
四、实验内容
1、系统硬件设计
（1）创建如实验一的QuartusII工程，单击Tools->Qsys。
（2）双击ComponentLibrary->Peripherals->MicrocontrollerPeripherals->PIO，配置信息如下图所示，单击finish。
（3）AVALON总线连接关系如下图所示，双击图中的椭圆形区域（将对应IP的引脚输出）。
（4）单击System菜单下面的AssignBaseAddress和AssignInterruptnumbers，自动进行地址和中断号分配。
（5）单击Generation选项卡下面的Generate按钮，生成系统。
（6）将顶层原理图中设计删除，双击顶层原理图空白处，添加硬件如下图所示，单击OK。
（7）在顶层原理图中，右键单击上述Symbol，在弹出的菜单中，左键单击选择GeneratePinsforSymbolPorts，如下图所示。
记得添加Sdram_clock输出。
（8）单击StartAnalysis&Synthesis，如
所示。
（9）分配管脚如下所示。
set_location_assignmentPIN_E21-topio_0_external_connection_export[0]
set_location_assignmentPIN_E22-topio_0_external_connection_export[1]
set_location_assignmentPIN_E25-topio_0_external_connection_export[2]
set_location_assignmentPIN_E24-topio_0_external_connection_export[3]
（10）编译并通过JTAG将设计下载到FPGA中。
2、系统软件设计
（1）新建软件工程（Hello_world模板），如下图所示。
（2）右键单击工程名，新建Led.h头文件。
（3）Led.h头文件内容如下所示。
#include"system.h"
#define_LED
typedefstruct
{
unsignedlongintDATA;
unsignedlongintDIRECTION;
unsignedlongintINTERRUPT_MASK;
unsignedlongintEDGE_CAPTURE;
}PIO_STR;
#ifdef_LED
#defineLED（（PIO_STR*）PIO_0_BASE）
#endif
（4）修改主程序文件“hello_world.c”内容如下所示。
#include
#include
#include"led.h"
intmain（）
{
LED->DATA=1;
inti=0;
while
（1）
{
LED->DATA=1<if（i==4）i=0;
elsei=i+1;
usleep（100000）;
}
return0;
}
（5）右键单击ProjectExplorer的软件工程，选择BuildProject。
（6）右键单击ProjectExplorer的软件工程，选择RunAs->NiosIIHardware，如果系统硬件及软件正常运行，将观察到开发板上的四个LED轮流被点亮。
五、实验结果及实验报告内容
（1）系统硬件设计过程。
（2）系统软件设计过程。
（3）实验过程中遇到的问题和解决办法。
实验三：
PIO输入—中断
一、目的和要求
1、扩展PIO输入
2、利用PIO输入实现外部中断输入
二、设备或环境
DE2-115FPGA开发板
三、实验原理
创建硬件系统（NIOSIICPU、JTAGUART、SYSTEMID、SDRAM、EPCS、PIO输出）基础上，添加PIO输入控制器，通过PIO输入实现系统对外部中断的响应。
四、实验内容
1、系统硬件设计
（1）创建如实验二的QuartusII工程，单击Tools->Qsys。
（2）双击ComponentLibrary->Peripherals->MicrocontrollerPeripherals->PIO，配置信息如下图所示，单击finish。
（3）AVALON总线连接关系如下图所示，双击图中的两个椭圆形区域（将对应IP的引脚输出），单击图中圆形区域（连接中断）。
（4）单击System菜单下面的AssignBaseAddress和AssignInterruptnumbers，自动进行地址和中断号分配。
（5）单击Generation选项卡下面的Generate按钮，生成系统。
（6）参考实验三步骤，更新顶层原理图，并生成管脚，管脚分配如下。
set_location_assignmentPIN_AC28-topio_1_external_connection_export
（7）编译并通过JTAG将设计下载到FPGA中。
2、系统软件设计
（1）新建软件工程（Hello_world模板），如下图所示。
（2）右键单击工程名，新建Led.h头文件。
#include"system.h"
#define_LED
typedefstruct
{
unsignedlongintDATA;
unsignedlongintDIRECTION;
unsignedlongintINTERRUPT_MASK;
unsignedlongintEDGE_CAPTURE;
}PIO_STR;
#ifdef_LED
#defineLED（（PIO_STR*）PIO_0_BASE）
#defineKEY（（PIO_STR*）PIO_1_BASE）
#endif
（3）修改主程序文件“hello_world.c”内容如下所示。
#include
#include
#include"led.h"
voidKEY_ISR（）
{
LED->DATA=15;
KEY->EDGE_CAPTURE=0;
printf（"KEY_ISROCCURED:
%d\n",KEY->DATA）;
}
voidinit（）
{
KEY->INTERRUPT_MASK=1;
alt_ic_isr_register（PIO_1_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID,PIO_1_IRQ,KEY_ISR,NULL,0）;
}
intmain（）
{
printf（"HellofromNiosII!
\n"）;
init（）;
LED->DATA=1;
inti=0;
while
（1）
{
LED->DATA=1<if（i==4）i=0;
elsei=i+1;
usleep（100000）;
}
return0;
}
（4）右键单击ProjectExplorer的软件工程，选择BuildProject。
（5）右键单击ProjectExplorer的软件工程，选择RunAs->NiosIIHardware，如果系统硬件及软件正常运行，将观察到开发板上的四个LED轮流被点亮。
当相应按键按下时，触发中断，四个LED灯将被全部点亮。
五、实验结果及实验报告内容
（1）系统硬件设计过程。
（2）系统软件设计过程。
（3）实验过程中遇到的问题和解决办法。
实验四：
IntervalTimer
一、目的和要求
1、IntervalTimer模块的生成和使用
2、在NiosII中实现定时器功能、SystemClock功能和Timestamp功能
二、设备或环境
DE2-115FPGA开发板
三、实验原理
在实验三系统（NIOSIICPU、JTAGUART、SYSTEMID、SDRAM、EPCS、PIO输出、PIO输入）基础上，添加IntervalTimer模块，在NiosII中实现定时器功能、SystemClock功能和Timestamp功能。
四、实验内容
1、系统硬件设计
（1）将上次实验得到的QuartusII工程打开，单击Tools->Qsys。
（2）双击ComponentLibrary->Peripherals->MicrocontrollerPeripherals->
IntervalTimer，配置信息如下图所示，单击finish。
（3）以相同方式再次添加IntervalTimer，其AVALON总线连接如下图所示。
（4）单击System菜单下面的AssignBaseAddress和AssignInterruptnumbers，自动进行地址和中断号分配。
（5）单击Generation选项卡下面的Generate按钮，生成系统。
（6）更新顶层原理图。
（7）编译并通过JTAG将设计下载到FPGA中。
2、系统软件设计
（1）应用SBT，打开实验四所建立的软件工程。
（2）修改helloworld.c文件，添加定时器功能，如下所示。
#include
#include
#include"led.h"
#include"altera_avalon_timer_regs.h"
#include"sys/alt_alarm.h"
#include"alt_types.h"
#include"sys/alt_timestamp.h"
intcounter=0;
voidTIMER_ISR（）
{
counter++;
IOWR（TIMER_0_BASE,ALTERA_AVALON_TIMER_STATUS_REG,0）;
printf（"%d\n",counter）;
}
voidinit_timer（）
{
alt_ic_isr_register（TIMER_0_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID,TIMER_0_IRQ,TIMER_ISR,NULL,0）;
IOWR（TIMER_0_BASE,ALTERA_AVALON_TIMER_STATUS_REG,0）;
IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_PERIODL（TIMER_0_BASE,50000000）;
IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_PERIODH（TIMER_0_BASE,50000000>>16）;
IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_CONTROL（TIMER_0_BASE,0x07）;
}
intmain（）
{
init_timer（）;
while
（1）；
return0;
}
（3）右键单击软件工程名，NiosII->BSPEditor，选择Main->Settings->
Common->hal->sys_clk_timer，如下图所示。
（4）在helloworld.c文件中添加，如下代码。
alt_u32my_alarm_callback（void*context）
{
LED->DATA=15;
return0;
}
intmain（）
{
alt_alarmalarm;
alt_alarm_start（&alarm,10,my_alarm_callback,NULL）;
while
（1）;
return0;
}
（5）右键单击软件工程名，NiosII->BSPEditor，选择Main->Settings->
Common->hal->timestamp_timer，如下图所示。
（6）在helloworld.c文件中添加，如下代码。
intmain（）
{
unsignedinttime1,time2;
time1=alt_timestamp（）;
printf（"HellofromNiosII!
\n"）;
time2=alt_timestamp（）;
printf（"time=%d\n",time2-time1）;
while
（1）;
}
（7）右键单击ProjectExplorer的软件工程，选择BuildProject。
（8）右键单击ProjectExplorer的软件工程，选择RunAs->NiosIIHardware，如果系统硬件及软件正常运行，请将观察到的结果记录在实验报告上。
五、实验结果及实验报告内容
（1）系统硬件设计过程。
（2）系统软件设计过程及执行结果。
（3）实验过程中遇到的问题和解决办法。
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