嵌入式系统设计指导.doc
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1、嵌入式系统设计一、设计目的1、掌握嵌入式系统的组成和设计方法;2、掌握嵌入式系统硬件的设计步骤和要点;3、掌握嵌入式系统软件的设计步骤和调试方法。二、设计内容1、设计一个简单的嵌入式系统,包括CPU、存储器、定时器、按键接口、七段数码管接口、LCD接口和UART接口,实现实时钟的显示和设置;2、定时器用于实时钟的月日、时分和秒计时;3、2个按键用于显示的切换和实时钟的设置;4、4个七段数码管用于实时钟的月日、时分和秒显示;*5、LCD用于实时钟的月日、时分和秒显示;*6、UART接口和微机相连,用于在微机上显示和设置实时钟。三、设计报告 1、设计目的; (5分) 2、设计内容; (5分)3、硬
2、件设计方框图和工作原理; (30分) 4、软件设计流程图和程序清单; (30分) 5、设计过程中遇到的问题和解决方法; (20分) 6、收获和建议等。 (10分)嵌入式系统设计入门嵌入式系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分。一、硬件设计入门硬件设计入门介绍系统的硬件设计过程,说明怎样使用SOPC Builder和Quartus II软件创建和处理SOPC硬件设计。硬件设计分为下列三个部分: 设计输入:使用SOPC Builder在Quartus II方块图文件(.bdf)中创建SOPC模块并将模块端口连接到FPGA引脚上。 编译:使用Quartus II编译程序设置编译SOPC设计、分配引
3、脚和使用EDA工具设置控制编译过程,生成sof和pof编程/配置文件。 编程/配置:使用QuartusII编程器和下载电缆配置开发板上的FPGA,或将设计结果编程到开发板上的配置芯片中以便开发板在加电时用用户设计配置FPGA。(一)设计输入设计输入指导用户创建Quartus II项目以及包含SOPC模块的顶层方块图文件(.bdf),SOPC模块使用SOPC Builder软件创建。1、创建Quartus II项目创建新的Quartus II项目时,用Quartus II的新建项目向导,可以指定项目的工作目录、项目名和顶层设计实体名。启动Quartus II软件创建新建项目的步骤为:启动Quar
4、tus II软件:单击Windows“开始”按钮,选择“所有程序” Altera Quartus II 9.0 Quartus II 9.0或直接双击桌面上的Quartus II 9.0快捷方式图标。如果是首次使用Quartus II,需要在Licensing Error(许可错误)提示框中选择Specify valid license file(指定有效许可文件)选项,然后在License Setup(许可设置)中指定License file(许可文件),许可文件可通过Altera网站免费申请。单击File(文件)菜单,选择New Project Wizard(新建项目向导)打开新建项目向导
5、对话框。指定项目工作目录:本例使用目录c:alteraexample。指定项目和顶层设计实体名example,如图1所示。单击Next(下一步),如果目录不存在,Quartus II将提示“目录不存在,是否创建?”,单击“是(Y)”创建目录。在Add Files(添加文件)页中单击Next(下一步)。选择器件:本例使用Cyclone II系列(Family)器件EP2C35F672C6。改变Show in Available devices list中的选项可以减少可用器件列表中的器件数,使查找目标器件变得容易些。单击Next(下一步)。在EDA Tool Settings(EDA工具设置)页
6、中单击Next(下一步)。图1 指定工作目录和项目名在Summary(总结)页中单击Finish(完成)。新的Quartus II项目创建完成后,顶层设计实体名出现在Project Navigator(项目导航)窗口的Hierarchy(层次)标签中,同时在项目目录中生成两个基本文件: example.qpf:Quartus II项目文件 example.qsf:Quartus II设置文件2、创建SOPC系统模块创建SOPC系统模块包括以下步骤: 创建新的BDF(可省略) 启动SOPC Builder 添加CPU和外围设备 生成SOPC系统模块 添加SOPC系统模块到BDF(可省略) 添加引
7、脚(可省略) 命名引脚(可省略)创建包含SOPC系统模块的顶层方块图文件(.bdf)时,首先创建方块图文件,然后使用SOPC Builder创建SOPC系统模块,最后将SOPC系统连接到FPGA器件引脚,FPGA引脚连接到开发板上的硬件组件。当Quartus II项目中只包含SOPC系统模块时(例如本例),可使系统名和项目名相同,这样可省略“创建新的BDF”步骤,直接用SOPC系统模块作为项目的顶层设计实体,同时也可省略“添加SOPC系统模块到BDF”、“添加引脚”和“命名引脚”步骤。3、创建新的BDF新创建的BDF文件名为example.bdf,它是example项目的顶层设计实体。创建新的
8、BDF的步骤为:单击File(文件)菜单,选择New(新建)或单击工具条中的新建工具按钮,打开新建对话框。在新建对话框的Design Files(设计文件)中选择Block Diagram/ Schematic File(方块图/原理图文件)。单击OK(确定),出现新建方块图编辑器窗口Block1.bdf。单击File(文件)菜单,选择Save As(另存为),打开“另存为”对话框,在“另存为”对话框中自动显示保存bdf文件的位置c:alteraexample和名称example,确认已选中Add file to current project(添加文件到当前项目),单击保存按钮保存文件。保持
9、文件打开以用于后面的设计输入。创建新的BDF后,在项目目录中生成第三个基本文件: example.bdf:Quartus II方块图文件4、启动SOPC BuilderSOPC Builder是用户创建SOPC系统模块或多控制器SOPC模块的软件工具,完整的SOPC系统模块包含Nios II嵌入式处理器及其系统外围设备。SOPC Builder提示用户选择端口和外围设备,设置有关参数的值,一旦向导生成SOPC系统模块,用户就可以在设计文件中使用。启动SOPC Builder的步骤为:在Quartus II中单击Tools(工具)菜单,选择SOPC Builder或单击工具条中的SOPC Bui
10、lder工具按钮启动SOPC Builder。在Create New System(新建系统)对话框System Name(系统名)后键入系统名nios32,如图2所示。也可以将系统名设为example,这样可以直接将系统模块作为顶层实体。图2 新建系统对话框根据用户选择的HDL语言,SOPC Builder对所有用户使用的组件生成纯文本Verilog HDL或VHDL描述文件。单击OK(确定),出现Altera SOPC Builder - nios32.sopc* (c:alteraexamplenios32.sopc)窗口并显示System Contents(系统内容)标签,如图3所示。
11、在添加CPU和外围设备之前,确认Clock Settings(时钟设置)中的clk_0为50.0MHz,这个值用来在硬件生成和软件设计中实现精确的定时。5、添加CPU和外围设备SOPC系统外围设备允许Nios II嵌入式处理器与FPGA中的内部逻辑或开发板上的外部硬件连接和通信,使用SOPC Builder可以指定SOPC系统模块中系统外围设备的名称、类型、存储器映象地址和中断等。将要添加到SOPC Builder中的组件包括: Nios II处理器(cpu) 片内存储器(onchip_memory) 定时器(timer) 按键PIO(pio_key) 七段数码管PIO(pio_led)图3
12、SOPC Builder(1)添加Nios II处理器(cpu)添加Nios II处理器(cpu)的步骤为:在Altera SOPC Builder下选择Nios II Processor(Nios II处理器),单击Add(添加)按钮,打开Nios II处理器配置向导Nios II Processor cpu_0。在Core Nios II标签中选择Nios II/e,如图4(a)所示。图中显示:Nios II/e核在50.0MHz系统时钟频率下性能达到5 DMIPS,使用600-700 LEs(逻辑单元)和两个M4K片内存储器块(8K位)。在JTAG Debug Module(JTAG调试
13、模块)标签中选择Level 1,如图4(b)所示。图中显示:1级JTAG调试模块使用300-400 LEs(逻辑单元)和两个M4K片内存储器块(8K位)。单击Finish(完成)返回Altera SOPC Builder - nios32.sopc窗口。添加Nios II处理器时出现的警告问题将在添加片内存储器后解决。(2)添加片内存储器(onchip_memory)添加片内存储器(onchip_mem)的步骤为:双击Memories and Memory Controllers(存储器和存储器控制器) On-Chip On-Chip Memory (RAM or ROM),打开On-chip
14、 Memory (RAM or ROM) - onchip_memory_0配置向导。在配置向导中使用下列缺省选项,如图5所示。 Memory type(存储器类型):RAM (Writable) Data width(数据宽度):32 bits Total memory size(总存储器容量):4096 Bytes单击Finish(完成)返回Altera SOPC Builder - nios32.sopc窗口。(3)配置Nios II处理器(cpu)添加片内存储器后重新配置Nios II处理器(cpu)可以解决添加Nios II处理器(cpu)时出现的警告问题,具体步骤为:(a) 选择N
15、ios II核(b) 选择调试级别图4 Nios II处理器配置向导双击(1)中添加的cpu,在Nios II Processor cpu_0配置向导的Core Nios II标签中选择下列选项,如图6所示。 Reset Vector(复位向量):onchip_memory2_0 Exception Vector(异常向量):onchip_memory2_0图5 片内存储器配置向导图6 配置Nios II处理器单击Finish(完成)返回Altera SOPC Builder - nios32.sopc窗口。(4)添加定时器(timer)添加定时器(timer)的步骤为:双击Periphera
16、ls(设备) Microcontroller Peripherals(微控制器设备) Interval Timer,打开Interval Timer timer_0配置向导。输入Timeout period(超时周期)为500 ms(毫秒),如图7所示。单击Finish(完成)返回Altera SOPC Builder - nios32.sopc窗口。(5)添加按键PIO(pio_key)为了给开发板上的按键提供接口,需要添加按键PIO(button _pio),步骤如下:双击Microcontroller Peripherals(微控制器设备)下的PIO (Parallel I/O)(并行I
17、/O),打开PIO (Parallel I/O) pio_0配置向导。在Basic Settings(基本设置)标签中指定以下选项,如图8(a)所示。 Width(宽度):2 bits Direction(方向):Input ports only在Simulation(仿真)标签中选中Hardware PIO inputs in test bench,如图8(b)所示。图7 定时器配置向导(a) 基本设置 (b) 仿真图8 PIO配置向导单击Finish(完成)返回Altera SOPC Builder - nios32.sopc窗口。右击刚添加的pio_0从弹出菜单中选择Rename(重新命
18、名)或按Ctrl-R组合键。将pio_0重新命名为pio_key,键入新名后按Enter键保存设置。(6)添加七段数码管PIO(pio_led)添加七段数码管PIO(pio_led)的步骤为:双击Microcontroller Peripherals(微控制器设备)下的PIO (Parallel I/O)(并行I/O),打开PIO (Parallel I/O) pio_0配置向导。在Basic Settings(基本设置)标签中指定以下选项: Width(宽度):16 bits Direction(方向):Output ports only单击Finish(完成)返回Altera SOPC B
19、uilder - nios32.sopc窗口。右击刚添加的pio_0从弹出菜单中选择Rename(重新命名)或按Ctrl-R组合键。将pio_0重新命名为pio_led,键入新名后按Enter键保存设置。至此完成CPU和外围设备的添加,设计结果如图9所示。图9 SOPC Builder设计结果6、生成SOPC系统模块为了将SOPC设计作为Quartus II项目的一部分编译到开发板上的FPGA器件,必须首先生成设计逻辑,生成设计的步骤为:单击System Generation(系统生成)标签。在系统生成标签中单击Generate(生成)按钮,在Save changes?(保存修改)对话框中单击
20、Save(保存)。依赖于用户指定的选项,SOPC Builder在设计生成期间完成下列操作: 生成Verilog HDL或VHDL系统模块文件 创建项目仿真文件在生成设计期间,系统生成标签中的消息框内显示生成信息,如图10所示。当生成完成时,显示Info: System generation was successful(信息:系统生成成功),单击Exit退出SOPC Builder。图10 系统生成标签SOPC Builder在指定目录中生成两个基本文件: nios32.sopc:SOPC系统配置文件 nios32.ptf:SOPC系统描述文件(用于软件设计)在以下的操作中,将使用方块图编辑
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