Quartus创建自定义IP核 - LED控制IP核
一、前言
之前使用Quartus II的Qsys工具软件创建了一个SOPC系统，包含了NIOS II处理器、ROM、RAM、JTAG_UART等IP核，虽然Qsys工具已经提供了非常丰富的IP库，但是有些特殊功能的IP核在Library中是没有的，例如我要控制一个LED屏幕，如果使用单片机控制的话直接使用单片机的IO口控制时序刷新LED屏即可，如果想要使用SOPC，可以在系统上添加一个PIO模块，然后使用C语言和单片机一样控制LED屏即可。但是如果LED屏幕很大，需要控制的点数很多的话，会占用太多NIOS CPU的时间，甚至会导致LED屏幕刷新速度过慢，显示效果差。这时候我们就想了，如果有一个专门控制LED屏幕的芯片就好了，我们的SOPC系统连接到这个LED屏控制芯片，控制LED屏幕刷新的任务交过这个芯片就行了，我们用程序控制芯片来显示就行了............嗯？不对，FPGA不就是可以创造一个芯片么？我们完全可以在FPGA中创建一个这样的LED屏的控制芯片，然后在FPGA内部将这个“芯片”集成到我们的SOPC系统中去就行了？
没错，我这就是这篇文章的目的所在，而且Quartus软件的Qsys工具早就已经有这个功能了：创建自定义的IP核。之前创建SOPC系统的时候我们发现NIOS II核和RAM、ROM、JTAG等外设的连接是通过“data master”和“instruction master”总线连接的，而“instruction master”总线是指令总线，都是连接到可执行程序的存储器（On_chip RAM、On_chip ROM、SDRAM、DDR2 RAM）或者JTAG调试模块的，其他外设一般不会连接“instruction master”总线的，但是“data master”总线是会连接到所有外设的，这个总线将所有外设连接到NIOS II CPU寻址空间上去的，使得CPU可以寻址到挂载这个总线上的器件，并向器件中写入或者读取数据。如下图所示，“data master”数据总线在CPU端的名字叫做“Avalon Memery Mapped Master”，在器件端的名字叫做“Avalon Memery Mapped Slave”。
到这里我们就知道了，想要将我们自己创建的IP核的能够被NIOS II控制到话，需要将器件挂载到NIOS II的地址总线上去，然后将数据总线连接到NIOS II的数据总线，以及一些控制信号线。其实在NIOS II系统“Avalon Memery Mapped Master”就是传统的8086系统中的地址总线和数据总线。
二、设计IP核
上面我们说过了要能够融合进NIOS II的系统中去，需要创建一个和“Avalon Memery Mapped Master”总线匹配的连接端口，这个端口就是“Avalon Memery Mapped Slave”了。我们先不考虑Avalon总线的时序，我们先创建一个自己的IP核，哪怕这个核没有挂载到NIOS II的总线系统上去，只是一个简单的控制LED闪烁的功能。
创建一个Quartus工程，添加顶层模块，创建一个SOPC系统......这句操作之前的文章有，就不再说了，现在我已经创建好了一个SOPC系统了，如下图：
然后我们再创建一个Verilog文件，保存叫做“led_ip.v“，这个文件就是作为我们要创建的IP核的功能描述文件，在这个module的端口中添加信号：clk、rst_n、avs_address、avs_write、avs_writedata、led，其中包括了输入时钟和复位信号、“Avalon Memery Mapped Slave”总线接口、led输出端口。然后在程序中添加一个简单的LED计数器功能用于查看运行状态，程序如下：
然后在Qsys软件界面的菜单栏操作，File -- New Component ：
Parameters设置先略过，简单的模块不需要设计Parameters，下面设置Signals参数，Signals参数里面是根据Verilog文件中的参数来的，需要正确选择Interface和Signal Type，如图所示：
最后进入到Interface设置，按照下图设置：
在下面可以看到一个Write Waveforms栏：
这就是我们在自己的IP核中要实现的“Avalon Memery Mapped Slave”总线的时序简图，暂且不管。
保存这个设计，然后在Qsys主界面中我们可以看见我们设计的IP核在IP Library中了：
我们就按照添加其他外设一样的操作来添加我们的led_controller：
可以看到这里面什么都没有，但是左边有连接示意图：
这个看起来和System Library库里面的器件很像了啊，时钟、复位、总线、export信号都有，点击Finish完成，然后连接时钟、复位和总线到之前的系统中去，选择Assign Base Address分配地址，最后效果如下图：
然后再Generate生成SOPC系统，进去Quartus重新编译并下载到FPGA中去，发现4个LED灯累加计数，说明添加的自定义IP核已经在工作了。
下面可以进行读写控制了，我做的这个简单的IP核没有读取功能，只有写入操作，所以IP核只需要控制写入的时序就行了。具体时序上面那张时序图已经画得很清楚了，在clk的上升沿，如果write信号为高电平，则表示写操作，这时候address表示的就是操作地址，writedata就是要写的数据。我们设计led_controller核的时候设定了其地址线的宽度为2bit，难道说这个器件只有两根线连接到NIOS II的地址总线上去么？显然不是，我们在配置SOPC系统的时候执行了Assign Base Address操作，然后可以看到led_controller模块被分配了起始地址0x6000，终止地址0x600F，表示地址0x6000到0x600F都是led_controller模块的。“Avalon Memery Mapped Master”发出读写信号时，如果地址总线上的地址在0x6000和0x600F之间的话，就会选通led_controller模块，但是怎么解释led_controller的2bit地址呢？我没有找到哪里有说明，但是我的直觉就是地址总线的最低两位就是led_controller定义的2bit地址，那么我么写led_controller模块的时候0x6000到0x6003这四个地址是有效的，那么Qsys为什么不分配0x6000到0x6003而是分配0x6000到0x600F给led_controller模块呢？好像在New Component过程中有配置，以后可以再试试，这倒是无所谓。具体程序如下图，程序中加了一个reg变量“register1”表示寄存器1，Avalon总线可以通过write操作将数据写入到“register1”寄存器中，我定义操作地址的最低两位为2b'00时修改register1为50000000，为2b'01时修改......
在Qsys中右击led_controller模块，电机Edit，在Files中再一次Analysis Synthesis Files，Finish之后重新Generate生成新的SOPC系统，然后到Quartus中重新编译下载......
三、设计C程序
SOPC系统已经设计好了，开始C语言编程：
#include "sys/alt_stdio.h"
#include "io.h"
int main()
{
alt_putstr("Hello from Nios II!\n");
// while(1)
{
IOWR(0x6000, 0, 10000000);
IOWR(0x6000, 1, 10000000);
IOWR(0x6000, 2, 10000000);
IOWR(0x6000, 3, 1000000);
}
/* Event loop never exits. */
while (1);
return 0;
}
然后进行单步调试，注意，单步调试会暂停NIOS II CPU，但是不会暂停我们的led_controller，因为这是硬件模块控制LED的，不是程序控制LED的，执行完之后发现LED的累加计数频率按照预想的进行，说明我猜对了。
调试的时候遇到一个问题，就是执行最后一句设置之后，LED的累加频率变得较高，这时候退出Debug模式会卡主，且无法正常退出Debug，我在猜是不是由于我使用的几根LED线跟单片机的运行配置或者调试有关的线，比如PIN_76的Special Function是nCEO，PIN_75的Special Function是INIT_DONE，如果nCEO或者INIT_DONE一直在跳变不知道是不是会影响FPGA的运行或者调试，留一个疑问在这！
之后我又实验了一下指针式的操作，程序如下：
#include "sys/alt_stdio.h"
#include "io.h"
int main()
{
alt_putstr("Hello from Nios II!\n");
// while(1)
{
*(int *)(0x6000) = 10000000;
*(int *)(0x6001) = 10000000;
*(int *)(0x6002) = 10000000;
*(int *)(0x6003) = 1000000;
}
/* Event loop never exits. */
while (1);
return 0;
}
但是单步调试发现LED的闪烁并没有反应，着实是不开心，难道不是地址总线的最低两位对应着led_controller模块定义的两根地址线么？又想到既然led_controller模块的寻址空间是0x6000到0x600Fm，也就是4位地址线，那我再试试高两位：
#include "sys/alt_stdio.h"
#include "io.h"
int main()
{
alt_putstr("Hello from Nios II!\n");
// while(1)
{
*(int *)(0x6000 | 3) = 10000000;
*(int *)(0x6004 | 3) = 10000000;
*(int *)(0x6008 | 3) = 10000000;
*(int *)(0x600C | 3) = 1000000;
}
/* Event loop never exits. */
while (1);
return 0;
}
程序里面控制2、3位，然后将最低位写1，运行发现可以控制LED的累加频率，说明模块的两根地址线对应的是地址总线的2、3两位，而不是最低两位。
但是这个问题很奇怪，于是我修改了一下led_controller IP核，将address的宽度改成4bits，然后重新编译led_controller IP核，删除原来的led_controller器件并重新添加新的led_controller，然后重新Assign Base Address，发现地址分配变成了下图：
首地址还是0x6000，结束地址为0x603F，地址空间好像总是比我定义的地址空间长度要长两位。
捋一捋思绪，突然一激灵，想起来了！！！因为NIOS II系统的数据/地址总线宽度为32位！我定义的IP核的地址线有4根，数据总线是固定的32位，那么IP核的寻址范围为 2^4 * 4 = 64 个字节的数据，也就是0x00到0x3F，这就和Qsys分配的地址正好对应起来了。由于我的IP核的地址线寻址的都是32位数据，那么地址信号的最低两位数据是无效的，我们使用IOWR函数（宏定义）的时候其实就是屏蔽了最低两位的，IOWR函数的第二个参数是偏移量Offset，这个偏移量是以WORD（字）为单位偏移的，而不是BYTE（字节）。