EDA技术——SOPC设计“hello-world”

昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告（201—201学年第学期）课程名称：EDA技术开课实验室：年月日年级、专业、班学号姓名成绩实验项目名称SOPC设计“helloworld”实验指导教师教师评语教师签名：年月日一、实验目的通过本实验具体学习SOPC开发流程。二、实验设备1、带有windows操作系统，quartusII，niosII软件的PC机台。2、FPGA实验箱及电源线，下载线。三、实验要求熟悉SOPC从定制cpu到nios软核内程序编写的整个流程。四实验原理利用QuartusII中的SOPCbuilder来定制cpu，然后配合niosII，来实现一个完整的嵌入式系统功能，这是不同于FPGA的开发方式。五、实验步骤1、按照前面实验在QuartusII中建立工程，在TOOLs菜单中选择SOPCBuilder，如图3.1。图3.1建立工程新工程名命名为SOPC。建完这个工程后，首先建一个原理图文件。File-new-BlockDiagram/SchematicFile,通过此操作建好一个原理图文件，如图3.2所示。图3.2建立原理图文件2、定制CPU，参照上图，有一个图标，点击它打开SOPCbuilder，打开后，在弹出的界面systemname后填写名字，这里写的是cpu，自己可以起其他名字，然后点ok，如图3.3。图3.3SOPCbuilder界面1)构建处理器模块：处理器就是用来做解释程序，运算等操作，图中左栏可以看到，NiosIIProcesser选项，双击后弹出处理器的属性选项框，我们自己设置参数，来定制所需的处理器，如图3.4。图3.4处理器属性框这里为我们提供了三种类型的CPU，NiosII/e占用资源最少600-800LEs，功能也最简单，速度最慢。NiosII/s占资源比前者多一些，功能也多了，速度也快一些。NiosII/f占资源最多，功能也最多，速度就快。选择的时候要根据你的需求和你的芯片资源来决定。在这里，我们选择NiosII/e，功能和速度都可以得到满足。其他的选用默认选项，点击finish，cpu模块就出现在主框区中了，如图3.5。图3.5定好的处理器2)定制on-chipmemory：它是用来存储程序的，它的容量比较小，因为我们的“helloworld”程序也比较小，所以只要on-chipmemory就好了，如果以后写的程序比较复杂，on-chipmemory装不下了，我们就要用sdram代替，我们先点击图中菜单中选项，如图3.6。图3.6on-chipmemory选项位置点击后像处理器一样，我们先对其属性进行设置，如图3.7。图3.7on-chipmemory属性框这里改下内存大小，如图中所示，改好后点finish，如果报错，重新分配一下地址。在上面菜单栏中，选system-auto-assignbaseaddresses，点击它，就自动分好了，我们的memory定制就完成了，如图3.8。图3.8主框区观察上图，主框区又多了一项。3)定制jtag-uart：这是用来调试程序的，通过它，我们的“helloworld”就能打在console栏里了，它的位置如图3.9。图3.9jtag-uart位置属性框中都用默认的，点finish，定制好后，看图3.10。图3.10主框区4)配置CPU：还有一项重要的工作就是配置cpumemory，点击上图中主框区的cpu_0后，出现如图3.11。图3.11memory配置界面下面的ResetVector是复位后的Memory类型。ExceptionVector是异常情况时的Memory类型。因为我们只定制了on-chipmemory，所以下拉菜单中只有这一项，两个memory后的白框里都选on-chipmemory。offset不管，点击finish。5)分配地址：接下来我们要再分配一下地址，是很好操作的，回到主框区后，上面菜单栏中，选system-auto-assignbaseaddresses，点击它，就自动分好了。6)编译：至此，完成了三个模块的定制，它们互相配合就能实现“helloworld”实验了。写好的程序存在on-chipmemory中，然后处理器开始解释程序，运行程序，程序运行后，就把“helloworld”这句话打在console栏里了。当然，此模块中能定制多种模块。保存后点，开始编译；编译完成后，所定制的CPU就会以原理图的方式展现在我们面前。编译完成后，如图3.12。图3.12编译完成点击exit。回到quartus界面，如图3.13。图3.13quartus原理图输入界面3、分配引脚，编译工程。将我们定制好的CPU调入上图空白处，双击点击空白处，出现如图3.14。图3.14所定制cpu点ok将其调入空白区，如图3.15。图3.15quartus界面这就是定制的CPU，由于定制的模块少，所以看起来很简洁。下面给它分配管脚，鼠标放在它上面，右键，有个选项是generatepinsforsymbolports，点击它就分好了。自动分配的管脚名是和CPU模块上的名字一样的，需要改一下，要想让管脚分配正确，必须保证管脚名和tcl文件中的一样。根据tcl文件里的管脚名改原理图中管脚，分别改成clk，rst，如图3.16。图3.16管脚分配分配好后，需要run一下tcl文件，首先保证工程文件夹里有一份tcl文件，然后tool-tcl需要script，点击后如图3.17。图3.17runtcl文件这里有三个tcl文件，选中用到的那个，点run，管脚就分配好了。分配好管脚后保存，编译。编译好后，quartus中的操作就告一段落了，先把它放在一边。接下来要在niosII中操作。4、niosII中的操作。打开niosII，如图3.18。图3.18noisII界面1)建立工程：这个工程不需要单独的文件夹，默认下就放在了我们在quartus中的工程文件夹中。File-new-protect，点击后，如图3.19。图3.19创建C文件点击Next，如图3.20。图3.20引入ptf文件Browse，找到我们工程文件夹里的cpu.ptf文件，把它导入进来。这个文件是nios中工程与quartus中的cpu连接的桥梁，两者联系起来才能工作。选好后，点finish，如图3.21。图3.21代码区可见，工程目录区多了几个文件夹，代码区自动装入了一个代码，不是“helloworld”。但是，输出的字都是自己定义的，自己可以改。可把“hellofromniosII”改成“helloworld”。到时打出的字就变了，其他的一样。改好后，要进行一些必要的设置，图3.22为属性配置界面。图3.22属性配置2)属性配置：选中图3.22中选项，右键，点击systemlibraryproperties，出现图3.23图3.23优化设置界面选中图中蓝色选项，再点击右边general，出现菜单，进行如图3.24设置。图3.24优化设置还有一项需要设置，看下图3.25。图3.25优化设置前两步的设置，是设置优化级别，如果不优化，编译生成的代码就会很大，on-chipmemory就放不下了，编译时就会报错了。设置好后，apply-ok。回到主界面，因为给的程序就能用，还不需要自己写程序，下面就要开始编译。3)编译：鼠标放在hello_word_0文件夹上，右键，buildproject，就开始编译了，编译时间较长，需耐心等待。4)运行：编译好后，就要开始在开发板上运行了，jtag接口上连上下载线，然后按以下步骤进行，首先看软件界面菜单栏，这里点Run，出现下拉菜单，再点另一个Run，出现下面图3.26。图3.26run设置界面默认这页会自动设置好，但意外情况下，文件没有自动加进来，还需要自己把文件加进来（通过Browse），设置好后，再点设置下一页，如图3.27。图3.27run设置界面设置好后，点击Run。成功后，如下图3.28所示。图3.28最终结果六、实验总结在第前两次实验的基础上进行了SOPC设计，感觉实验的难点并不完全类似于单片机的学习，在于以往觉得复杂的编程上，更重要的是SOPC系统硬件设计流程，不管是添加相应得UART引脚，还是改变开发板上的串口连接线，每一个步骤都要我们熟悉才能更好的完成实验设计。