DE1-SOC开发板上搭建NIOS II处理器运行UCOS II

DE1-SOC开发板上搭建NIOS II处理器运行UCOS II

 

今天在DE1-SOC的开发板上搭建NIOS II软核运行了UCOS II，整个开发过程比较繁琐，稍微有一步做的不对，就会导致整个过程失败。因此特地记录下来，以防日后忘记。

 

第一步：建立Quartus II工程

    建立Quartus II工程时需要注意以下几点

1. 器件选择为EP5CSEMA5F31C6N；
2. 工程路径中不得出现非法字符（空格和中文字符）；
3. 开发工具选择Quartus II 13.1及以上，这里我选择的版本为Quartus II 14.1。
4. 由于我们最终的软件工程也是建立在Quartus II工程目录下的，而软件工程有一个最让人崩溃的地方就是，软件工程在建立时，很多包含文件是以据对路径存在的，如果你更改了工程路径，那么当你再次编译工程时，就会报错。所以这里我在建立工程时，直接在E盘根目录下建立了一个mysystem的文件夹，并将工程建立在此文件夹中。这样可以避免路径太深，以后切换电脑时，只需要将工程直接拷贝到新的电脑的E盘下即可。只要QII软件安装位置相同，再次编译软件工程就不会报错。

    

第二步：打开Qsys工具

在Quartus II软件中，依次点击 tools/Qsys，以打开Qsys工具。

 

第三步：在Qsys系统中添加NIOS II处理器

    在左侧的IP Catalog的搜索框中，输入nios，在搜索结果中，选择并添加NIOS II（Classic）Processor到右侧的System Contents中来。添加时，选择NIOS II/f型CPU。添加完成后，在System Contents中修改其名字为mycpu。

 

第四步：在Qsys中添加UCOS系统所需定时器

    在左侧的IP Catalog的搜索框中，输入timer，在搜索结果中，选择并添加Interval timer到右侧的System Contents中来。添加时，将timeout period 设定为10ms。添加完成后，修改其名字为ucosii_timer。

 

第五步：在Qsys中添加SDRAM

    在左侧的IP Catalog的搜索框中，输入sdram，在搜索结果中，选中并双击SDRAM Control，在打开的参数配置选项卡中，按照如下图所示的配置进行设置：

添加完成后，修改其名字为sdram。

 

第六步：在Qsys系统中添加JTAG_UART

    在左侧的IP Catalog的搜索框中，输入uart，在搜索结果中，选择并添加JTAG UART到右侧的System Contents中来。添加时，所有参数默认即可。添加完成后，修改其名字为JTAG_ UART_0。

 

第七步：在Qsys系统中添加sysid

    在左侧的IP Catalog的搜索框中，输入sys，在搜索结果中，选择并添加System ID Peripheral到右侧的System Contents中来。添加时，设定32bit system id为自定义值，我这里设定为0x00000002。添加完成后，修改其名字为sysid0。

 

第八步：连线和导出端口

自此，所有的外设添加就已经完成了，接下来，需要将每个模块的端口连接到对应的总线上，这里不一一介绍，详情请参看下图：

其中，clk_100M模块的clk_in和clk_reset，以及sdram模块的wire需要export。

将ucosii_timer和jtag_uart_0的irq连接到mycpu的d_irq上，在右侧的IRQ一栏中，ucosii_timer的中断号设置为0、jtag_uart_0的中断号设置为1。

 

第九步：设定sdram基地址

在Base一栏中，将sdram模块的起始地址设置为0，然后点击地址前面很小的那个锁的符号，使其变为锁定状态。

 

第十步：自动分配所有模块地址

    在Qsys系统中，依次点击菜单栏中的sysytem/Assign Base Address，系统即可自动为我们分配各个模块的基地址。由于sdram的基地址本身处于锁定状态，所以在此过程中，可能其他模块的基地址会因为自动修改而发生变化，但是sdram的基地址将保持不变。

 

第十一步：设定CPU的复位向量地址和异常向量地址

    双击mycpu模块，在打开的参数设置中，将Reset Vector和Exception Vector都选择为sdram.s1。

 

以上，我们就完成了完整Qsys系统的搭建，接下来，我们就可以生成Qsys系统的RTL代码了。

 

第十二步：保存设计

    点击file/save，将我们的系统保存，我这里命名为"cpu"。

 

第十三步：生成Qsys系统的HDL代码

    在Qsys系统中，依次点击Generate/Generate HDL，在弹出的窗口中，点击Generate来完成HDL代码的生成。此过程根据电脑配置的不同，大约需要3到5分钟。

 

第十四步：在Quartus II系统中添加并例化QSYS系统

    在Qsys系统中，依次点击Generate/HDL Example，在打开的界面中，将HDL Example中的代码选中并复制，如下图中红线圈起来的内容：

回到Quartus II工程中，新建一个Verilog HDL文件，将刚刚复制的内容粘贴进去，将文件保存，命名为mysystem。

 

第十五步：添加锁相环

    在Quartus II软件中，依次点击tools/IP Catalog，在右侧弹出的窗口中，在搜索栏输入pll，然后双击打开搜索结果中的Altera PLL，在打开的窗口中，选择Verilog格式，并保存名为sys_pll。然后点击OK。等待大于10秒钟左右，会弹出PLL的配置窗口，在配置窗口中，按下图所示的内容进行配置：

 

第十六步：添加Qsys系统到Quartus II工程中

    第十四步中，只是完成了Qsys系统的例化，实际并没有将Qsys系统添加到Quartus II工程中来。这里，我们双击Quartus II软件中Project Navigator窗口中Files选项卡中的Files

在弹出的窗口中，找到E:\mysystem\cpu\synthesis路径下的cpu.qip文件，加入到工程中。

 

第十七步：完善mysystem.v模块

    将mysystem.v中的内容完善如下：

module mysystem(refclk,rst_n,sdram_addr,sdram_ba,sdram_cas_n,sdram_cke,

sdram_cs_n,sdram_dq,sdram_dqm,sdram_ras_n,sdram_we_n,sdram_clk);

 

input refclk;

input rst_n;

 

output
[12:0]sdram_addr;

output
[1:0]sdram_ba;

output sdram_cas_n;

output sdram_cke;

output sdram_cs_n;

inout
[15:0]sdram_dq;

output
[1:0]sdram_dqm;

output sdram_ras_n;

output sdram_we_n;

output sdram_clk;

 

wire cpu_clk;

wire sdram_clk;

wire cpu_reset_n;

wire pll_locked;

assign cpu_reset_n = pll_locked;

 

cpu u0 (

.clk_clk (cpu_clk),
// clk.clk

.reset_reset_n (cpu_reset_n),
// reset.reset_n

.sdram_addr (sdram_addr),
// sdram.addr

.sdram_ba (sdram_ba),
// .ba

.sdram_cas_n (sdram_cas_n),
// .cas_n

.sdram_cke (sdram_cke),
// .cke

.sdram_cs_n (sdram_cs_n),
// .cs_n

.sdram_dq (sdram_dq),
// .dq

.sdram_dqm (sdram_dqm),
// .dqm

.sdram_ras_n (sdram_ras_n),
// .ras_n

.sdram_we_n (sdram_we_n)
// .we_n

);

 

sys_pll_0002 sys_pll_inst (

.refclk (refclk),
// refclk.clk

.rst (~rst_n),
// reset.reset

.outclk_0 (cpu_clk),
// outclk0.clk

.outclk_1 (sdram_clk),
// outclk1.clk

.locked (pll_locked)
// locked.export

);

 

endmodule

 

第十八步：分析和综合；

第二十步：分配引脚

    引脚分配如下表所示：

    

refclk	Input	PIN_AF14
rst_n	Input	PIN_AA14
sdram_addr[12]	Output	PIN_AJ14
sdram_addr[11]	Output	PIN_AH13
sdram_addr[10]	Output	PIN_AG12
sdram_addr[9]	Output	PIN_AG13
sdram_addr[8]	Output	PIN_AH15
sdram_addr[7]	Output	PIN_AF15
sdram_addr[6]	Output	PIN_AD14
sdram_addr[5]	Output	PIN_AC14
sdram_addr[4]	Output	PIN_AB15
sdram_addr[3]	Output	PIN_AE14
sdram_addr[2]	Output	PIN_AG15
sdram_addr[1]	Output	PIN_AH14
sdram_addr[0]	Output	PIN_AK14
sdram_ba[1]	Output	PIN_AJ12
sdram_ba[0]	Output	PIN_AF13
sdram_cas_n	Output	PIN_AF11
sdram_cke	Output	PIN_AK13
sdram_clk	Output	PIN_AH12
sdram_cs_n	Output	PIN_AG11
sdram_dq[15]	Bidir	PIN_AJ5
sdram_dq[14]	Bidir	PIN_AJ6
sdram_dq[13]	Bidir	PIN_AH7
sdram_dq[12]	Bidir	PIN_AH8
sdram_dq[11]	Bidir	PIN_AH9
sdram_dq[10]	Bidir	PIN_AJ9
sdram_dq[9]	Bidir	PIN_AJ10
sdram_dq[8]	Bidir	PIN_AH10
sdram_dq[7]	Bidir	PIN_AJ11
sdram_dq[6]	Bidir	PIN_AK11
sdram_dq[5]	Bidir	PIN_AG10
sdram_dq[4]	Bidir	PIN_AK9
sdram_dq[3]	Bidir	PIN_AK8
sdram_dq[2]	Bidir	PIN_AK7
sdram_dq[1]	Bidir	PIN_AJ7
sdram_dq[0]	Bidir	PIN_AK6
sdram_dqm[1]	Output	PIN_AK12
sdram_dqm[0]	Output	PIN_AB13
sdram_ras_n	Output	PIN_AE13
sdram_we_n	Output	PIN_AA13

 

第二十一步：全编译

    此过程大约需要6到10分钟左右

 

第二十二步：配置

    将生成的SOF文件配置到DE1-SOC开发板中。

 

第二十三步：打开NIOS II EDS软件

    在Quartus II软件中，依次点击tools/NIOS II software Buil tools for Eclipse，在打开的Workspace Launcher中，设定Workspace为E:\mysystem，然后点击OK。

 

第二十四步：建立UC/OS II模版工程

    在打开的开发环境中，点击File/New/Nios II Application and BSP from Template。

在打开的窗口中，按下图所示的内容进行选择：

然后系统便能为我们自动生成完整的系统，生成后的界面如下所示：

此时，我们按下键盘上的组合键"ctrl + B"，就能够对软件工程全编译。

编译完成后，点击Run/Run Configurations，在打开的窗口中，

双击Nios II Hardware，在弹出的界面中，选择Project Name为myucosii（注：图中我的工程名为myucos，只是工程名字不同而已，无其他影响）。

选择完成后，切换到Target_Connection选项卡中，如下图：

若1处和2处无内容，则点击3处的Refresh Connections，直到1和2中出现我们的Cable和Device为止。选中4处的两个选项。然后点击5处的apply，最后点击6处的Run，则系统将启动软件烧写过程，并在烧写完成后启动FPGA中的Nios II处理器。此时，我们在Eclipse的Nios II Console窗口中便能看到Nios II处理器通过串口发送到PC上的内容，如下图所示：

自此，整个在DE1-SOC上搭建NIOS II处理器并运行UC/OS-II系统告一段落。

关于这个模版例程中相关代码的解释，我也是跟着特权的大神的博客才看懂的。这里，也再次向大众偶像特权同学致敬。具体软件代码的分析，大家可以看特权博客中的内容，当然，相信很多做软件大神也能分析的更加透彻。

    参考内容：http://www.eefocus.com/ilove314/blog/12-08/284486_7e6a4.html

 

小梅哥

2015年4月21日于北京至芯科技