嵌入式技术概述--SOPC硬件开发环境及硬件开发流程介绍--课件

嵌入式技术概述嵌入式技术概述 SOPC硬件开发环境及硬件开发流程2SOPC设计的主要工作 硬件设计：Quartus、SOPC Builder 软件设计：Nios IDE3系系统统需需求求分分析析SOPC硬件设计流程系统所需的计算性能、带宽、吞吐量、接口类型以及多线程软件支持等。创创建建工工程程创创建建N Ni io os sI II I系系统统模模块块Nios内核和标准外设用户定制指令与外设集集成成N Ni io os sI II I系系统统模模块块到到工工程程自定义功能模块标准库模块连连接接各各工工功功能能模模块块引引脚脚分分配配编编译译设设置置编编译译工工程程生生成成S SO OF F配配置置文文件件下下载载S SO OF F配配置置文文件件到到F FP PG GA A若需要，用户可以定制指令和外设逻辑。在SOPC Builder中添加所需的功能模块（Nios II核、标准外设模块），完成后生成一个系统模块。SOPC的硬件设计开始均需要建立建立一个工程，Quartus II是以工程的方式对设计过程进行管理。工程中建立的顶层模块文件.bdf相当于传统电路设计中的电路板（PCB）。4系系统统需需求求分分析析SOPC硬件设计流程创创建建工工程程创创建建N Ni io os sI II I系系统统模模块块Nios内核和标准外设用户定制指令与外设集集成成N Ni io os sI II I系系统统模模块块到到工工程程自定义功能模块标准库模块连连接接各各功功能能模模块块引引脚脚分分配配编编译译设设置置编编译译工工程程生生成成S SO OF F配配置置文文件件下下载载S SO OF F配配置置文文件件到到F FP PG GA A当标准库模块不能满足设计要求时，可设计定制逻辑模块。Quartus II中包含了大量的Altera公司提供的LPM功能模块，相当于传统设计中除处理器外的逻辑芯片(如74系列)在工程顶层模块中，分别添加SOPC Builder生成的NIOS系统模块、LPM功能模块以及用户自定义功能模块。将 各 个 功能模块用连线连起来组成系统功能原理图这两过程类似传统PCB设计中：将所有芯片焊接到电路板上，通过PCB上的连线将各个芯片连接起来，组成电路系统。5系系统统需需求求分分析析SOPC硬件设计流程创创建建工工程程创创建建N Ni io os sI II I系系统统模模块块Nios内核和标准外设用户定制指令与外设集集成成N Ni io os sI II I系系统统模模块块到到工工程程自定义功能模块标准库模块连连接接各各功功能能模模块块引引脚脚分分配配编编译译设设置置编编译译工工程程生生成成S SO OF F配配置置文文件件下下载载S SO OF F配配置置文文件件到到F FP PG GA A为系统选择芯片载体，并 为 各 个I/O信 号 分配芯片管脚；设置编译选项，让编译器按照用户设定进行编译；编译系统生成硬件系 统 的 配 置 文 件*.sof和*.pof。编译过程包括编译、综合、适配、布线、时序分析等。将 配置文件.sof下载 到FPGA6SOPC硬件设计实例电子钟设计设计要求：1)1)在液晶屏上显示日期、时间在液晶屏上显示日期、时间 2)2)可以设置日期、时间可以设置日期、时间系统所需外围器件：LCDLCD，电子钟显示屏幕，电子钟显示屏幕 按键按键，电子钟设置功能键，电子钟设置功能键 FlashFlash，存储软、硬件程序，存储软、硬件程序 SRAMSRAM，程序运行内存，程序运行内存SOPC硬件系统模块：NiosNios II CPU II CPU、定时器、定时器、按键按键PIOPIO、LCDLCD控制器、控制器、AVALONAVALON三态桥三态桥、外部、外部SRAMSRAM接口、接口、外部外部FlashFlash接口接口JTAG UARTJTAG UART、EPCSEPCS串行串行FlashFlash控制器控制器7SOPC硬件设计实例电子钟设计：1）创建Quartus工程运行运行 Quartus II 6.0软件，选择软件，选择:File菜单菜单New Project Wizard,出现出现Introduction页面页面 8SOPC硬件设计实例电子钟设计：1）创建Quartus工程工程名称的设定、工作目录的选择工程名称的设定、工作目录的选择页面页面 工程名和顶层实体名工程名和顶层实体名必须相同，且为英文必须相同，且为英文工程目录必须为英文工程目录必须为英文9SOPC硬件设计实例电子钟设计：1）创建Quartus工程工程文件添加工程文件添加页面页面 10SOPC硬件设计实例电子钟设计：1）创建Quartus工程工程器件选择工程器件选择页面页面 器件过滤器器件过滤器11SOPC硬件设计实例电子钟设计：1）创建Quartus工程工程相关工程相关EDA工具选择工具选择页面页面 12SOPC硬件设计实例电子钟设计：1）创建Quartus工程工程总体信息说明工程总体信息说明页面页面 开发过程中可以通过菜单assignment assignment SettingsSettings对工程配置进行修改13SOPC硬件设计实例电子钟设计：1）创建Quartus工程工程创建完成工程创建完成页面页面 工程实体名工程实体名14SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-1）创建顶层实体：创建顶层实体：在新建的工程窗口中，在新建的工程窗口中，选择选择FileNew；在；在Device Design File选项选项卡中，选择卡中，选择Block DiagramSchematic File，即原理图文件，即原理图文件，单击，单击OK。15SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-1）创建顶层实体：创建顶层实体：选择选择FileSave As；确定；确定Add to Current Project选项选项被选中，点被选中，点击击“保存保存”，文件被保存并被加入到工程中。，文件被保存并被加入到工程中。16SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：启动启动SOPC Builder，选择，选择ToolsSOPC Builder，出现，出现Create New System对话框。对话框。17SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块18SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：在在SOPC Builder中，选择中，选择FileNew Components，可创建，可创建用户自定制组件。用户自定制组件。19SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：在在SOPC Builder中，选择中，选择FileNew Board Descriptions，新的目标板描述。新的目标板描述。20SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：1)1)添加添加NIOS CPU CPU，Avalon Components 中选择中选择Nios II Processor。21SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：1)1)添加添加NIOS CPU CPU，Caches&Tightly Coupled Memories设置设置。22SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：1)1)添加添加NIOS CPU CPU，Advanced Features设置设置。23SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：1)1)添加添加NIOS CPU CPU，JTAG Debug Module设置设置。24SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：1)1)添加添加NIOS CPU CPU，Custom Instructions设置设置。25SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：1)1)完成完成NIOS CPU CPU的添加的添加。26SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：其他其他IP模块的模块的添加添加。定时器定时器PIO（按键）（按键）LCD控制器控制器Avalon三态总线桥：三态总线桥：External SRAM Bus、External Flash Bus External SRAM interfaceExternal Flash InterfaceJTAG UART27SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：2)2)定时器定时器的添加，的添加，在在Avalon components中的中的other库中选库中选择择Interval Timer。28SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：3)3)PIO（按键）（按键）的添加，的添加，在在Avalon components中的中的other库中选择库中选择PIO。29SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：4)4)LCD控制器控制器的添加，的添加，在在Avalon components中的中的display库中选择库中选择Character LCD(16 2,Optrex 16027)。30SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：5)5)Avalon三态总线桥三态总线桥的添加，的添加，在在Avalon components中的中的Bridge库中选择库中选择Avalon Tri-State Bridge。31SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：6)6)外部外部SRAM接口接口的添加，的添加，在在Avalon components中的中的Memory库中选择库中选择Cypress CY7C1380C SSRAM。32SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：7)7)外部外部FLASH接口（按键）接口（按键）的添加，的添加，在在Avalon components中的中的Memory库中选择库中选择Flash Memory（Common Flash Interface）。33SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：8)8)JTAG UART的添加，的添加，在在Avalon components中的中的communication库中选择库中选择JTAG UART。34SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-2）创建Nios系统模块：9)9)Nios系统的连接系统的连接。外部外部SRAM接口与接口与SRAM三态桥的连接三态桥的连接、外部外部Flash接口与接口与Flash三态桥连接三态桥连接，其他，其他IP的连的连接都是系统自动完成的。接都是系统自动完成的。35SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-3）分配系统各IP模块的地址和中断号36SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-4）配置Nios系统Boot loader 存储器存储器异常向量表存储器异常向量表存储器包含包含JTAG DEBUG模块时显示，不可修模块时显示，不可修改改37SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-5）生成Nios系统38SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-6）添加Nios系统模块到工程39SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块 2-7）利用ALTERA提供Mega库添加锁相环2-8）添加系统的添加系统的I/O端口端口40SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL点击点击ToolsMegaWizard Plug-In Manager41SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL42SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL43SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL44SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL45SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL46SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL47SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL48SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL49SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-7）利用Mega库添加锁相环PLL50SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-8）添加I/O端口在顶层实体的在顶层实体的BDF窗口的窗口的空白处双击鼠标空白处双击鼠标，出现，出现Symbol窗口，在窗口，在alteraquartuslibraries下面选择下面选择primitives，再在其下选择，再在其下选择pin51SOPC硬件设计实例电子钟设计：2）创建Nios系统模块2-9）NIOS系统连接 52SOPC硬件设计实例电子钟设计：3）设计优化3-1）面积和速度的优化 53SOPC硬件设计实例电子钟设计：3）设计优化3-2）时序约束与设置 54SOPC硬件设计实例电子钟设计：3）设计优化3-3）Fitter设置 55SOPC硬件设计实例电子钟设计：4）工程编译工程编译：分析与综合、适配、汇编、时序分析4-1）编译设置 56SOPC硬件设计实例电子钟设计：4）工程编译工程编译：分析与综合、适配、汇编、时序分析4-2）器件引脚分配1）使用使用Assignments Editor来分配，选择来分配，选择Assignments菜单中的菜单中的pins或或者者Assignments Editor；2）使用）使用TCL脚本一次性分配所有的引脚；脚本一次性分配所有的引脚；3）直接编辑工程目录下的）直接编辑工程目录下的“工程名工程名.qsf”文件，文件，set_location_assignment PIN_器件引脚器件引脚-to 端口名端口名57SOPC硬件设计实例电子钟设计：4）工程编译工程编译：分析与综合、适配、汇编、时序分析4-3）编译工程选择选择Processing菜单中的菜单中的Start Compilation、点击、点击工具栏中的工具栏中的Start Compilation 按钮按钮、在、在Processing菜单中选择菜单中选择Start子菜单中的子菜单中的分步编译操分步编译操作作对编译给出的错误信息进行定位：选中错误信息，单击右键，在弹出的菜单对编译给出的错误信息进行定位：选中错误信息，单击右键，在弹出的菜单中选择中选择Locate来实现对错误的定位来实现对错误的定位58SOPC硬件设计实例电子钟设计：4）工程编译工程编译：分析与综合、适配、汇编、时序分析4-3）编译工程 59SOPC硬件设计实例电子钟设计：5）程序配置下载5-1）编程硬件安装 60SOPC硬件设计实例电子钟设计：5）程序配置下载5-1）编程硬件安装 61SOPC硬件设计实例电子钟设计：5）程序配置下载5-2）编程下载 62SOPC硬件开发环境及硬件开发流程小结 1）介绍了Quartus、SOPC Builder软件2）介绍了Quartus软件的原理图输入方式、Mega库的使用3）介绍了SOPC硬件开发流程4）以电子钟设计为例，介绍了SOPC硬件系统建立的过程和方法