Nios-II编程入门实验

一. 实验目标：学习 Quartus 、Platform Designer、Nios-II SBT 的基本操作；初步了解 SOPC 的开发流程，基本掌握 Nios-II 软核的定制方法；掌握 Nios-II 软件的开发流程，软件的基本调试方法。
二. 实验过程：
1、完成以下实验：

1. 在DE2-115开发板上分别用 Verilog和 Nios软件编程两种方式完成LED流水灯显示，理解两种方式的差异;
2. 分别用Verilog和Nios软件编程, 实现DE2-115开发板串口输出“Hello Nios-II”字符到笔记本电脑串口助手。
   3）分别在DE2-115开发板和树莓派上编写串口通信程序， 实现树莓派串口指令对FPGA板子上的流水灯程序的控制，控制方式自定。

一 Verilog实现流水灯

使用quartus创建好工程项目，将verilog文件加入项目中，分析综合一次后，添加引脚，引脚如下：

添加完后直接全编译，最后连接DE2-115下载即可。
代码如下：

module led_flow #(parameter TIME_0_5S = 25_000_000)(input               sys_clk     ,input               sys_rst_n   ,output  reg [7:0]   led     
);reg     [24:0]      cnt     ;wire                add_cnt ;wire                end_cnt ;reg     [2:0]       cnt1;wire                add_cnt1;wire                end_cnt1;always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n) begincnt <= 25'b0;endelse if(add_cnt) beginif(end_cnt) begincnt <= 25'b0;endelse begincnt <= cnt+1'b1;endendelse begincnt <= cnt;endend// 异步复位always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif(!sys_rst_n)begincnt1 <= 3'b0;endelse if(add_cnt1) beginif(end_cnt1)begincnt1 <= 3'b0;endelse begincnt1 <= cnt1 + 1'b1;endendendalways @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)beginled <= 8'b0;endelse begincase (cnt1)3'b000 : led <= 8'b0000_0001;3'b001 : led <= 8'b0000_0010;3'b010 : led <= 8'b0000_0100;3'b011 : led <= 8'b0000_1000;3'b100 : led <= 8'b0001_0000;3'b101 : led <= 8'b0010_0000;3'b110 : led <= 8'b0100_0000;3'b111 : led <= 8'b1000_0000;default: led <= led;endcaseendendassign add_cnt = 1'b1;assign end_cnt = add_cnt && cnt == TIME_0_5S - 1;assign add_cnt1 = (cnt == TIME_0_5S-1);assign end_cnt1 = add_cnt1 && cnt1 == 3'b111;endmodule

运行效果如下：

二 Nios实现流水灯

2.1 创建项目

在文件夹下（你放项目的文件夹）创建一个新的项目，名称任意，最好和项目有关，我的是NiosII，并在里面创建prj目录：

创建好之后打开quartus新建工程：


一直next，到选择型号界面。
选择芯片型号，根据实际情况选择

点击finish

2.2 SOPC添加模块

这里以前是叫qsys，现在变成了platform designer，他俩都是为了设置sopc（system on programmble chip），在这里面可以使用一些已经写好了的模块（IP核）来构建你自己想完成的功能。

首先，最基本的需要一个cpu（NIosII处理器）、ram存储器、jtag、systemid，这几个是最基本的配置。其次我们需要点灯，所以就需要pio。

• 添加基本配置cpu
  在platform designer的左侧，有一个IP Catalog，是IP 目录的意思，可以在搜索栏输入关键字查找你想添加的ip核。如下：
  
  添加之后，有弹框，让你配置这个模块，一般保持默认。
  
  然后点击finish。
  右键Rename，将名字改为cpu
  

• 添加基本配置jtag
  
  保持默认配置，finish之后改名字为uart
  

• 添加基本配置ram
  
  这个需要修改一下，Size变为40960bytes，因为后续的软件代码都是存储到ram中的，还包括一些指令什么的需要较大的空间，你可以在这设定充足，或者在后续eclipse软件中修改，有点类似于cube里面的一些操作。
  
  修改之后finish，改名字为onchip_ram
  

• 添加基本配置systemid
  
  保持默认选项，finish。

• 添加流水灯的pio
  
  
  点击finish后将名字改为pio_led，并且要在led下的externel_connection该名称为out_led。这里是为了说明顶层文件中有一个输出是out_led。可以在后面看到生成的模块实例格式中输出就有这个，输入包括时钟和复位信号。
  
  以上就是你需要的所有模块，接下来就是连线。过程类似你要编写顶层top文件，需要把输出输出等地方连接起来。

2.3 SOPC输入输出连接

在打开这个platform designer的时候有一个clk_0模块，是它本身就有的，需要双击一下，看其中时钟频率是多少：

可以看到这里是50MHz，和手里的fpga晶振是同样的频率。所以不用修改，如果不同，就需要做一些额外的操作比如添加一个锁相环，进行倍频操作。
cpu，uart，onchip_ram，pio_led、sys_id都有clk和reset的需求，所以要把他们的时钟和复位连接起来。
接着是cpu作为处理器，uart以及pio、ram等都有数据相关的操作，需要通过数据总线，所以要将这些连接到数据总线上去。连线结果如下：

连接完后，再配置一下处理器，双击cpu:

这些模块都是基于Avalon总线，需要确保他们地址不同。
点击system->assign base address后可以看到每个模块base那一列都分配了不同的地址。

分配完成之后，可以看到最下方Messages中没有报错了，如果还有报错就是前面有地方没有配对。

2.4 Generate

点击generate中的generate HDL



完成之后，再点击show…template，可以看到现在这个模块的实例顶层格式：

复制下来。可以关闭platform designer回到quartus中。
点击File,new创建一个verilog HDL file

开始编写顶层文件：
创建一个顶层模块后，填写庶出庶出，并将刚才复制的粘贴进去，作为实例化的对象。

之后再添加qip文件：Assignments–>Settings–>


Applay之后，就开始分析综合、绑定引脚（可参考数据手册led绑定）:

然后全编译。硬件部分就编好了。

2.5 软件部分

先有点led_flow_bsp

保持硬件的最新性。
然后右键led_flow，build project。如果编译没问题就开始下一步。

先把硬件烧录到fpga板子上。
连接板子，

start。

再烧软件：

会出现一个报错，点击右侧的refresh…就可以了。

2.6 运行结果

三 Verilog实现串口

项目创建和以前的一样。

3.1 代码

uart.tx:

//波特率为115200bps，即每秒传送115200bit的数据，传送1bit数据需要434个时钟周期
//tx内部是并行数据，需要串行传出去，一般数据格式是1bit的起始位，8bit的数据位，1bit的停止位
//所以需要一个8bit的计数器，计算传送了多少个bit，起始位是低电平有效，停止位是持续的高电平
//需要接收8bit的数据
//需要1bit的传送出去
module uart_tx(input               clk     ,input               rst_n   ,//ininput    [7:0]      din ,//要发送的数据input               din_vld,//数据有效//outoutput  reg [3:0]   cnt_byte,//现在输出第几个byte了output  reg         tx    //串口数据
);parameter    Baud = 434;//波特率计时器
reg         [8:0]       cnt_baud     ;
wire            add_cnt_baud ;
wire            end_cnt_baud ;
reg                     flag;always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_baud <= 0;end else if(add_cnt_baud)begin if(end_cnt_baud)begincnt_baud <= 0;endelse begincnt_baud<=cnt_baud+1;endend else begin cnt_baud <= cnt_baud;end 
end
assign add_cnt_baud = flag;
assign end_cnt_baud = add_cnt_baud && cnt_baud == Baud - 1;always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginflag <= 1'b0;endelse if(din_vld)beginflag <= 1'b1;endelse if(end_cnt_bit)beginflag <= 1'b0;endelse beginflag <= flag;end
end//波特率计数完成，就可以发送下一个bit
//表示需要把第几位发送出去
reg               [3:0]      cnt_bit;//最多是8
wire            add_cnt_bit;
wire            end_cnt_bit;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_bit <= 0;end else if(add_cnt_bit)begin if(end_cnt_bit)begincnt_bit <= 0;endelse begincnt_bit <= cnt_bit + 1;endend else begin cnt_bit <= cnt_bit;end 
end
assign  add_cnt_bit = end_cnt_baud;
assign  end_cnt_bit = add_cnt_bit && cnt_bit == 8;//发送到第几个字符，总共要发15个字符
wire                     add_cnt_byte ;
wire                     end_cnt_byte ;always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_byte <= 0;end else if(add_cnt_byte)begin if(end_cnt_byte)begincnt_byte <= 0;endelse begincnt_byte <= cnt_byte + 1;endend else begin cnt_byte <= cnt_byte;end 
endassign      add_cnt_byte = end_cnt_bit;//发送完8bit后
assign      end_cnt_byte = add_cnt_byte && cnt_byte == 14;//发送数据的逻辑，先加上起始位reg         [8:0]      data     ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begindata <= 9'h1ff;endelse if(din_vld)begindata <= {din,1'b0};  //数据加上起始位endelse begindata <= data;end
end//并行转串行逻辑
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begintx <= 0;end else if(cnt_baud == 1)begin //每发送完1bit，就发送一个tx;tx <= data[cnt_bit];//LSP,低位先发end else if(end_cnt_bit)begin//处理停止位tx <= 1'b1;endelse begin tx <= tx;end
endendmodule

test.v

module test(input               clk     ,input               rst_n   ,input  wire [3:0]   cnt_byte,//现在输出第几个byte了output   reg           dout_vld,//表示200us间隔实现output   reg [7:0]  led_data//表示输出的数据
);
//总共需要发送15个字符，所以需要15的计数器//200us计数器
parameter   TIME_200uS = 1_000_0;
reg         [13:0]      cnt_200uS;
wire                    add_cnt_200uS;
wire                    end_cnt_200uS;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_200uS <= 0;end else if(add_cnt_200uS)begin if(end_cnt_200uS)begin cnt_200uS <= 0;endelse begin cnt_200uS <= cnt_200uS + 1;end endelse begincnt_200uS <= 0;end
end 
assign add_cnt_200uS = 1'b1;
assign end_cnt_200uS = add_cnt_200uS && cnt_200uS ==  TIME_200uS - 1;//定义输出数据//Hello Nios-II到串口always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begindout_vld <= 1'b0;endelse if(end_cnt_200uS)begindout_vld <= 1'b1;case(cnt_byte)0     :   led_data = 8'b01001000;//H1     :   led_data = 8'b01100101;//e2     :   led_data = 8'b01101100;//l3     :   led_data = 8'b01101100;//l4     :   led_data = 8'b01101111;//o5     :   led_data = 8'b00100000;//space6     :   led_data = 8'b01001110;//N7     :   led_data = 8'b01101001;//i8     :   led_data = 8'b01101111;//o9      :   led_data = 8'b01110011;//s10      :   led_data = 8'b00101101;//-11      :   led_data = 8'b01001001;//I12      :   led_data = 8'b01001001;//I13      :   led_data = 8'b00001101;//\r14      :   led_data = 8'b00001010;//\ndefault :   led_data = 8'b0;endcaseendelse begindout_vld <= 1'b0;endendendmodule

top.v

module top(input           clk     ,input           rst_n   ,output          tx      
);wire    [7:0]           led_data    ;wire    [3:0]           cnt_byte   ;wire                   din_vld   ;uart_tx             inst_uart_tx(.clk            (clk      ),.rst_n          (rst_n    ),//in.din            (led_data),//如果串口占用时，uart_data.din_vld        (din_vld),
//out.cnt_byte       (cnt_byte),.tx           (tx     ) );test                inst_test(.clk            (clk        ),.rst_n          (rst_n      ),//in.cnt_byte       (cnt_byte),//out.led_data       (led_data   ),.dout_vld       (din_vld));endmodule

3.2 引脚

指定gpio口为tx和rx，编程实现硬件逻辑

3.3 效果

四 Nios2实现串口

4.1 sopc硬件设计

4.2 top文件

module nios2_uart_top(input			clk,input			rst_n,input			rxd,output		txd
);nios2_uart u0 (.clk_clk       (clk),       //   clk.clk.reset_reset_n (rst_n), // reset.reset_n.uart_rxd      (rxd),      //  uart.rxd.uart_txd      (txd)       //      .txd);
endmodule

4.3 软件代码

#include <stdio.h>
#include "unistd.h"
#include "system.h"
#include "alt_types.h"
#include "altera_avalon_uart_regs.h"
#include "sys\alt_irq.h"/** 串口发送字符串函数* */
/*
void Uart_sendString(char *data, unsigned int len)
{alt_u8 i;for(i=0;i<len;i++){IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(UART_BASE, data[i]);	//数据发送完，将TRDY置为1while((IORD_ALTERA_AVALON_UART_STATUS(UART_BASE) & 0x40)!=0x40); //判断数据(TRDY==1)是否发送完毕}
}
*/int main()
{char *str = "hello Niosii!\r\n";while(1){alt_u8 j;for(j = 0; j < 17; j++){IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(UART_BASE, str[j]);	//数据发送完，将TRDY置为1while((IORD_ALTERA_AVALON_UART_STATUS(UART_BASE) & 0x40)!=0x40); //判断数据(TRDY==1)是否发送完毕}int i = 0;while(i<500000){i++;}}return 0;
}

4.4 实现效果

五 参考资料

1、正点原子视频
2、NiosII流水灯
3、NiosII串口

六 总结

verilog和nios-II比较下来，verilog编程的时候可以选择性的编程，比如我现在要串口传送，我可以只写一个串口传送就可以传出去，但是在细节方面比如时序很容易搞混，简洁但是要很细心，否则就是bug。Nios-II是添加ip核，使用已有的模块去建立程序逻辑，相当于模拟一个电脑，大致了解一下是能上手的。但是要深究还是有点难度的。相比较下来，nios-ii确实方便了一点点，并且它有点像拼图，把模块拼起来，然后软件编程实现。