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标题: 探秘SOPC [打印本页]

作者: pengpengpang 时间: 2015-2-26 15:18 标题: 探秘SOPC

一、我理解中的SOPC
      SOPC呢，也就是所谓的可编程片上系统，通常一个系统所包含的，什么CPU，存储器，DSP和一些IO外设等都放在FPGA的周围，这样大大增加的系统的面积从而增加了系统的成本，SOPC技术呢就是把CPU，DSP，定时器，IO模块都放到FPGA里面，NIOS II处理器作为主机，其他外设作为从机，主机和从机之间通过AVALON MM总线进行通信与访问，每一个外设都有一个地址，NIOS II处理器可以通过这条总线对外设进行操作，但是每次只能访问一个外设，系统硬件搭建好了之后，通过Quartus II提供的SOPC builder这个工具，在里面嵌入NIOS II处理器和一些常用的IP 核，通过Quartus II对其进行综合，布局布线，时序约束等硬件系统搭建工作，然后我们用C语言通过NIOS II eclipse 这个工具来给我们的硬件系统编程，并进行运行调试，最后将我们设计好的硬件与软件文件烧入FPGA的配置芯片或者FILASH中，通过相应的总线来控制相应的外设。下面是我画的一个关系图

下面我们就通过一个具体的实例来理解这个过程

二、硬件系统搭建

上面这个图就是我们要搭建的硬件系统，硬件系统的搭建需要用到Quartus II软件和它提供的SOPC builder 工具，一步步来，Quartus II建立工程就不说了，建立工程之后，tool ——sopc builder，按照上面的框图一个个添加我们需要的IP

   首先我喜欢添加时钟，即PLL，直接在左上方的搜索框里输入PLL双击即可，至于PLL的配置方法我就不说了，相信大家都已经很熟了，由于我们的输入时钟是50M，我们需要的内部时钟主要用来控制各种IP，用50M的c0时钟，但是我们系统设计SDRAM，我们需要100M的c1时钟来控制SDRAM控制器，即SDRAM接口，同样还需要一个时钟输出到FPGA芯片外部来控制SDRAM芯片，我们用C2时钟，C2时钟跟C1时钟同频不同相，根据经验值，这个相位偏移我们选-75deg，频率100M

接着添加定时器，在搜索框输入timer 配置定时单位，位宽，这里我们设置为1ms，32位，在硬件选项对话框里一般选择 full—featured,当然也可以手动配置一些参数选custom

然后我们可以配置SDRAM，即我们的内存，SDRAM的配置参数是按照我们板子上芯片的具体参数配置的，由于系统提供的SDRAM芯片跟我们不匹配，所以我们用custom手动配置

之后可以配置EPCS控制器啊，JTAG控制器，UART，PIO，sysid等相应IP

   EPCS控制器是我们要控制控制片外的EPCS芯片用到的一个IP核，由于我们的CPU每次运行起来都是从内存，即SDRAM中读取数据的，而我们要做的就是将FPGA的硬件配置文件和我们的软件配置文件烧入到EPCS芯片中，这样CPU运行的时候就需要从EPCS芯片中将数据搬运到SDRAM中运行，从而提高运行速度，EPCS芯片控制器不需要配置，直接添加即可。
   JTAG控制器是我们调试用的，包括我们将软件代码下载的时候，在窗口返回的一些数据就是通过JTAG口传回的，这个IP也不需要配置，直接添加即可

   UART控制器即串口，为我们以后做串口调试实验做好硬件基础，这里大家可以手动配置波特率，和相应数据位

   sysID说白了就是我们这个系统的标号，跟身份证差不多意思，即一个系统对应一个标号，标号我们可以随便取

   PIO外设即我们的IO口，分为输入输出，我们可以手动配置他们的输入输出，位宽等参数，输出没什么说的，说一下输入，输入我们主要是按键输入，我的开发板上是4位按键，所以位宽设为4，由于是按键输入，所以我们要检测的是按键的下降沿，而且是沿中断而不是电平中断，这里我们需要手动改一下。PIO外设我们可以随便加，包括什么数码管，蜂鸣器，键盘，led等

最后我们添加CPU，即我们的NIOS II 处理器，NIOS II处理器分为三种模式，即经济型，稳定型和快速型，当然越高端的类型所占的逻辑资源就越多，我们做一些小实验用经济型或者稳定型就够了

还有一点要注意，配置参数中的两个选项，Reset Vector——复位向量
Exception Vector——执行向量，我们分别选EPCS和SDRAM，即我们复位的时候，CPU从EPCS中将数据搬入SDRAM中重新执行，不复位的过程中，CPU从SDRAM中执行（这个地方可能理解的不对，望大神指点）

全部配置完成之后，我们需要对每一个IP核改下名字，右键，rename改成我们习惯的名字，不改的话后面总是跟着一些后缀。其实配置完成之后，系统就自动将这些模块连接好了，我们需要做的就是改一下时钟，让内部处理SDRAM控制器模块的其他IP用PLL模块输出的c0时钟，SDRAM控制器用c1时钟

接下来我们需要系统自动分配基地址和中断号，其实细心的朋友可能发现，在右面IRQ一栏下有些中断号是重复的，所以我们要系统重新分配一下中断优先级。点system——Assign base address 和 Assign interrupt numbers 即可，最后点下面的generate生成我们的系统即可

这样我们在sopc builder里的工作就完成了，硬件一旦生成，就不要轻易改了，剩下的事就是我们要在软件里折腾。

其实还可以这么理解，我们刚刚生成的系统就相当于一个集合了各种IP的模块，我们直接拿来调用即可。打开文件目录下后缀名为.inst的文件，就例化了我们刚才生成的系统，我们在quartus II顶层文件中调用这个系统，生成顶层模块，配置好管脚，这样我们的硬件部分才算是真的完成了

三、软件部分

硬件搞好了就要做软件，养成一个好的习惯，在工程目录中建立一个文件夹，专门放软件部分的文件

做软件，无非就是访问我们硬件系统中的寄存器，用C语言来控制，这里我们先简单做一个控制PIO核的小工程，通过控制PIO核来控制LED
   软件方面的工程建立我不想多说，只想跟大家谈一下学习方法，当我们拿到一个外设，肯定要首先看一下他的datasheet，看他的寄存器映射图，拿PIO这个核来说，我们可以从网上下载n2cpu_nii5v3这个文件，里面详细介绍了各种IP核的资料

看datasheet 一般先看他的overview嘛，英文功底还是有的
然后我们需要看他的软件文件software files，即控制这个IP核需要的头文件，这里是altera_avalon_pio_regs.h

然后就是看寄存器视图了，寄存器视图告诉了我们如何具体操纵这个IP以及相应位的介绍

例如，第一个寄存器是数据寄存器，可以用来读写数据，只要我们知道这个PIO核的基址，再知道它的寄存器偏移我们就可以往数据寄存器里读写数据了，至于基址是多少，我们在定义硬件系统的时候系统已经自动生成，我们到时候只要调用就好了

再例如第二个寄存器是向量寄存器，即控制IO口的数据流方向，第三个寄存器是中断寄存器等等

代码部分我们来看一下

首先是初始化，我们调用函数找到我们PIO核的基址，并给我们的pio口赋初值0，至于PIO核的基址在头文件system.h中有定义

system .h中定义了我们硬件系统中所有IP的相关参数，我们可以直接拿来调用

   初始化之后呢就进入while循环，循环移位就是我们所说的流水灯了。由于工程比较简单，按理说还需要调试，这里我们就不调试了，下板即可，先将我们的硬件下到板子了，即我们的SOF文件，然后再下我们的软件，右键我们的工程名，run as——NIOS II hardware

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