【文章內容簡介】 要求并對成本敏感的電子產品，避開了直接設計 ASIC 的困難。 NIOS II 嵌入式軟核微處理器介紹 Nios 以及 Nios II處理器是 Altera公司為其 FPGA產品配套開發(fā)的軟核 CPU。在邏輯功能上，它們是 32 位的精簡指令集 CPU；在實現方式上，它們是在 FPGA上通過編程的方式實現的，這也是與傳統(tǒng)的 CPU 的一個根本的差別。 Nios II 處理器是 Altera 公司在 2020 年推出的第二代軟核 CPU。同前一代軟核 CPU 相比，Nios II 有著更高的性能，更小的體積。其最大處理能力是第一代軟核的 3 倍，而西南科技大學本科生畢業(yè)論文 6 小的體積只有 550LeS[1]，是第一代軟核的 1/2 大。 Nios II 有三 個型號，分別為 e 型、 S 型、 f 型，它們分別是針對不同應用要求優(yōu)化的。 E 型的體積最小，只有 550 個 LE； f 型的性能最高，最大可以達到200DMIPS 以上； s 型又叫標準型，其體積與性能介于 e 型與 f 型之間。 Nios II的三個型號都是 32 位機，其總線寬度為 32 位，總線結構為哈佛結構，它們指令集完全相同。所以 [1]，同一個軟件可以不做任何的修改就可以三個型號間交換。它們的實現平臺可以是 Altera 的任何一款 FPGA。 由于 Nios II 是在 FPGA 上實現的，所以先天的賦予了它很多獨有的新特性，使之成為可裁剪、可調整、 可補充的系統(tǒng)，更使其成為軟硬件緊密融合的系統(tǒng)。Nios II 有著一個開放式的 ALU，用戶可以根據自己的需要對其進行補充，從而實現用戶自己定義的指令。用戶自定義指令在處理方式上同原有指令集中的指令是一樣的， ALU 面前它們一律平等，所以在處理速度方面等同于原有指令。而用戶自定義指令在專項處理方面要優(yōu)于原有指令，因為它是有針對性的設計的，所以，應用用戶自定義指令可以在不改變 CPU 主頻的情況下大大提高系統(tǒng)處理能力。這個特性比較適合那些要求高處理速度 [1]，又不便于提高系統(tǒng)主頻的場合。 Nios II 的總線采用了哈佛 結構，在很大程度上提高了系統(tǒng)的處理速度。由于系統(tǒng)的總線控制器是在 FPGA 中實現的，可以進行靈活的配置，在某些外設需要具有馮 諾依曼特性時又可以把兩套總線合二為一 [1]，從而在局部實現馮 諾依曼結構，這樣就使得系統(tǒng)總線兼有哈佛結構的高效率與馮諾依曼結構的靈活性。 Altera DE2 開發(fā)平臺 Altera DE2開發(fā)平臺簡介 本課題的開發(fā)平臺為 Altera DE2 開發(fā)板， DE2 開發(fā)套件是以 Cyclone II EP2C35F672C6 FPGA 為核心的開發(fā)板， EP2C35F672C6 使用 90nm 的低功耗設計 、 672Pin FineLine BGA 封裝、 35 個內嵌乘法器、 475 個用戶管腳、 4 個 PLL和 205 個差分通道 (主頻可以達到 400MHz)、典型值 100 萬門、最大值約 160 萬門，開發(fā)板可用 IP 驗證、系統(tǒng)級開發(fā) [1]、 Nios II 開發(fā)等應用。 開發(fā)平臺資源如下： ? Cyclone II EP2C35F672C6 FPGA； ? 10/100M 以太網接口 ； ? RS232 接口 ； ? USB 接口 ； ? PS/2 鍵盤、鼠標接口 ； 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 7 ? 8MBytes SDRAM； ? 512K SRAM； ? 4 MBytes Flash 存儲 器 ； ? SD 卡接口 ； ? LCD1602； ? 8 個 7 段數碼管 ； ? 18 個撥動開關 ； ? 18 紅色 LED； ? 9 個綠色 LED； ? 4 個防抖動按鍵 ； ? 50 MHz 晶振 ； ? 80 個外接擴展 GPIO 口 。 FPGA芯片 開發(fā)板的核心是 Altera公司的 Cyelone II系列的 FPGA芯片 EP2C35F672C6，其包括 5， 980 個邏輯單元 (LEs)，一個 32 位 NiosII 軟核 CPU 的 LE 單元，用 EPIC6F256 完全能滿足要求。 EP2C35F672C6 還包含 92Kbits 的片上 RAM，也就是說可以存儲 10K 字節(jié)的數據 [1]。 由于系統(tǒng)程序運行在片外 RAM 上，所以可以滿足系統(tǒng)的要求。 外部存儲器 由于需要運行 uClinux 及 Boa Web 服務器，所以 FPGA 芯片需要內核程序存儲器、 SDRAM 存儲器。 FLASH 型號是 S29AL032D， SDRAM 型號是A2V64S40CTP[4]。 在 FPGA器件上實現的 Nios II嵌入式處理器可以使用 Flash存儲器作為通用只讀存儲器和非易失性存儲器， 將基于 Nios II處理器的應用程序燒寫到 Flash中，在程序運行前將 Flash 中的代碼拷貝到速度更快的易失性存儲器 SRAM 中執(zhí)行。這樣程序既不 會掉電后丟失，又能快速運行 [2]。 Flash 存儲器通過 Avalon 三態(tài)橋與外擴的數據總線和地址總線公用數據。 SDRAM 用來運行產 uClinux 操作系統(tǒng)，存儲量為 8M字節(jié)， SDRAM 比較便宜，但需要實現刷新操作、行列管理、不同延時和命令序列等邏輯。 Nios II SDRAM 控制器可實現 Avalon 總線接口、透明的 SDRAM 初始化處理、刷新和其它 SDRAM 需要的操作 [3]，使 SDRAM 接口看起來像簡單的等待信號的線性存儲器接口。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 8 配置電路 FPGA 系統(tǒng)板在調試階段用 JTAG 進行配置，在投入使用后由配置芯片EPCS16 進行主動配置。主動配置是當系統(tǒng)上電后， FPGA 通過串行方式讀取EPCS16 中的數據， FPGA 將壓縮格式的數據解壓后，就是 FPGA 的配置程序，包括 Nios II 和用戶自定義邏輯的所有 SOPC 程序。配置數據先存儲到 FPGA 的SRAM 單元。再由 SRAM 配置 FPGA 片內的邏輯單元。配置啟動的條件是以下二者之一 ： 一是給 FPGA 上電，二是 FPGA 的管腳上產生一個低電平到高電平的上升沿。 FPGA 中的 SRAM 是易失性的，每次上電之前 [1]，配置數據必須重新 FPGA 中。 Cyclone II FPGA 的配置方式包括 :主 動配置模式 (AS)、被動式 (PS)和 JTAG 配置模式。本系統(tǒng)采用 AS 模 式和 JTAG 模式 [1]。 SOPC 系統(tǒng)構建 在 Quartus II 軟件 中 集成了設計 SOPC 的環(huán)境 SOPC Builder。 SOPC Builder具有友好的圖形用戶界面，為用戶提供強大的設計平臺以搭建基于總線的系統(tǒng)，用戶可以從 Altera 提供的 IP 庫中選取組件，如處理器、 SDRAM、 Flash、各種IO 口等，并可通過選擇配置相應的參數 [2]，還有包含操作系統(tǒng)內核的嵌入式軟件開發(fā)工具。 在 Quartus II 軟件 中 建立一個工程文件，便可以使 用 SOPC Builder 進行 Nios II 系統(tǒng)的構建。從上面的介紹可知，本設計主要需要添加的外圍模塊及配置如下： (1) Nios II/s CPU， SOPC Builder 提供了三種類型， Nios II/e 占用資源最少600800LEs，功能也最簡單，速度最慢。 Nios II/s 占資源比前者多一些，功能也多了，速度也 比前者快些。 Nios II/f 占資源最多，功能也最多，速度 最快 。 考慮到本課題所需資源節(jié)約與 Nios II 經濟型和快速型之間 [4]，所以選用的類型為標準型。 完成軟核類型的選擇之后，進 行 JTAG Debug Module 的設置 ，即 JTAG 調西南科技大學本科生畢業(yè)論文 9 試時所用到的功能模塊。功能越多，需要的資源也就越多。這考慮到設計中不需要過多的其他功能，所以我選擇了 Level1[1]。 完成之后所得到 CPU 如下圖所示： (2) SDRAM、 Flash 卡等存儲器接口模塊，本設計使用 SRAM 作為系統(tǒng)的通用數據存儲器。 SDRAM 空間較大可作為操作系統(tǒng)內核的運行空間。 Flash 是程序存儲器，用于存放操作系統(tǒng)的內核程序和文件系統(tǒng)。上電后， Bootloader 程序會將操作系統(tǒng)的內核程序由 Flash 調入 SDRAM 中 [2]，這樣 可提升系統(tǒng)的運行速度。 (3)UART 模塊和 PIO 口總線模塊，其中串口用于調試的需要，系統(tǒng)也可以在此基礎上擴展串口外設將串口波特率設置為最大的 115200bps， PIO 口則用于控制 SD 卡、 TFT 液晶、觸摸芯片以及音頻模塊這幾個外設。 在添加完各個模塊后，還需要為各個模塊指定名稱、類型、存儲器地址映像和系統(tǒng)外設的中斷設置，如圖 42 所示。為了方便起見，通常將 Flash 的首地址設置為 0[1]，其他模塊地址由系統(tǒng)自動分配。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 10 第 4 章 硬件驅動程序設計 SD 卡驅動程序設計 SD卡簡介 SD 卡 （ Secure Digital Memory Card）是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備。擁有高記憶容量、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。 SD 卡提供不同的速度，它是按 CDROM 的 150kB/s 為一倍速的速率計算方法來計算的?；旧?，他們能夠比標準 CDROM 的傳輸速度快 6 倍 (900 kB/s)，而高速的 SD 卡更能傳輸 66x(10 MB/s)以及 133x 或更高的速度。 SD 卡的結構能保證數字文件傳送的安全性，也很容易重新格式化，所以有著廣泛的應用領域，音樂、電影、新聞等多媒體文件都可以方便地保存到 SD 卡中。 SD 卡主要應用于以下的手提數碼裝置：數碼相機存儲相片及短片，數碼攝錄機存儲相片及短片，個人數碼助理 (PDA)存儲各類資料，多媒體播放器等。目前， SD 卡在數碼相機中正在迅速普及 [2]，大有成為主流之勢。 SD卡硬件接口 1． SD 卡硬件 介紹 SD 卡 結構圖如 圖 41 所示， 包括 9 根引腳和一個 SD 卡內部控制器，加上一系列寄存器構成 SD 卡 。 圖 41 SD卡結構圖 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 11 2． SD 卡的通信方式 SD 卡支持兩種總線方式： SD 方式與 SPI 方式。其中 SD 方式采用 6 線制，使用 CLK、 CMD、 DAT0~DAT3 進行數據通信。而 SPI 方式采用 4 線制，使用CS、 CLK、 DataIn、 DataOut 進行數據通信 [2]。 SD 方式時的數據傳輸速度 比 SPI 方式要快， 但是 SD 方式需要 MCU 有特定的硬件支持 ，一般 MCU 不具備 SD 硬件控制器 ， 而大多數 MCU 都集成 SPI 控制器，能方便進行 SPI 通信 [3]。 由于 NIOS II 沒有自帶 SD 控制器，所以，本設計采用 SPI 通信模式 。 在兩種 通信 方式 中 SD 卡管腳的具體功能也會相應改變 ，如 圖 42 所示 ： 圖 42 SD卡兩種模式下的管腳定義 3． SD 卡硬件連接 在 NIOS II 中，我設計了 4 個 IO 口和 SD 卡 連接，用于 SD 卡的控制 ，由于NIOS II 硬件 SPI 不能在線更改 SPI 通信速率，所以，采用 IO 口模擬 SPI 模式 進行通信 。 如 圖 43 所示 ： N I O S I IC SS C L KM O S IM I S OC SS C L KD ID OS D 卡 圖 43 SD卡硬件連接 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 12 SD卡通信協(xié)議 1． SD 卡命令格式 在 SPI 工作模式下， SD 卡具有 CMD0~CMD63 條指令 。 每一條指令共 48位二進制，總計 6 字節(jié) 。 指令格式如 所示 ： 圖 44 SD卡命令格式 Command： SPI 通信命令編號 ； Command： SPI 通信附加命令 ； CRC： 冗余校驗 碼 。 其余的位都是 SPI 通信固定 位 。 2． SD 卡命令 協(xié)議 介紹 本次設計采用最簡單的 4個命令組合即可操作 SD卡，分別是 CMD0、 CMDCMD1 CMD24[1]。 CMD0： SD 卡復位指令 ， 使 SD 卡工作于 SPI 接口模式 ，并且 SD 卡處于休眠狀態(tài) [2]； CMD1： 初始化 SD 卡，激活 SD 處于工作狀態(tài) ； CMD17： 讀 SD 卡扇區(qū)，讀取 SD 一個扇區(qū) 512 字節(jié)數據 ， 在一次讀寫中需要給出地址信息，即可讀取出數據 ； CMD24： 寫 SD 卡扇區(qū)， 往 SD 卡指定扇區(qū)寫入 512 字節(jié)數據 ，需要給出寫入扇區(qū)地址以及數據 [1]。 SD卡驅動程序 由于 本設計主要是從 SD 卡中讀取數據然后進行處理 ， 因此，