Nios初体验之——Hello world!

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前言

环境：
1、Quartus18.0
2、vscode
3、板子型号：原子哥开拓者2(EP4CE10F17C8)
要求：
通过Nios输出Hello world!

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一、系统设计

1、系统模块框图

Nios II 处理器通过 Avalon 总线与 ROM 和RAM 连接，其中 Avalon 总线用来传输指令与数据。除此之外，Qsys 系统还提供了一个 JTAG 接口，供用户下载和调试程序。

2、系统涉及到的模块

1、时钟

clk IP 核的全称是 Clock Source，在这里设定我们整个系统的工作时钟频率。

2、nios2_qsys

这是我们之前对Qsys介绍时了解到，这是整个Qsys的控制中心，起着分配中断、管理地址、调度内存等主要的控制作用，相当于大脑的低位吧，通过Avalon与外界进行通信。

3、片内存储（onchip_rom、onchip_ram）

这里我们创建了两个片内存储器，ROM和RAM。这两个片内存储器都是利用FPGA的片上存储资源进行实现，除了用于存储指令和数据外，还是程序的运行空间。需要注意的是ROM的实现，在FPGA内部并没有专用的ROM资源，我们通过对 RAM 赋初值，并始终保持该值，使其变得只读，从而实现片内 ROM（只读存储器）。

4、串行通信（jtag_uart）

JTAG UART IP 核使用 JTAG 接口来实现上位机与 Qsys 系统之间的串行通信。JTAG UART IP 核为用户提供了 Avalon-MM 接口映射，屏蔽了复杂的 JTAG 接口协议。

5、System ID（sysid_qsys）

System ID IP核是一个具有Avalon接口的只读设备，它给每个Nios II系统生成一个唯一的标识符（ID），并将其写入 System ID 核的寄存器中。编译器和用户可以利用该 IP 核来验证编译后的可执行程序与配置到FPGA 中的硬件环境是否匹配。如果可执行程序中的 ID 与 FPGA 中 System ID 核所存储的 ID 不一致，那么程序在运行时可能会出错

二、硬件设计

在开始Qsys系统设计之前我们需要先根据我们的芯片型号创建Quartus 工程，这里前面已经介绍过这里不在赘述。不同的是我们需要多创建一个qsys文件夹，下面新建hardware 和 software 文件夹，分别存放 qsys设计的硬件部分和软件部分。然后我们需要在prj文件夹下新建一个ipcore 文件夹，用于存放 Quartus II 工程 IP 核。

1、创建Qsys

• 点击tools->platfrom Desiger进入设计界面：
  
• 修改时钟频率为100M：
  

修改为100MHZ，并点击finish完成，否则修改失败。

• 添加Nios II IP 核：
  

• 双击Nios II IP 核进入配置界面：
  

这里我们保持默认选择“Nios II/f‖内核“，报错我们后面再进行解决，点击finish。

• 添加成功：
  
• 添加片内存储ROM IP核：
  
• 同样双击进入配置界面：
  

我们需要将其设置为ROM(只读)，大小设置为10240，为10KB，其余默认。

• 同样的方法，配置RAM：
  

将“Type”选项设置为“RAM（Writable）”，然后将“Total memory size”修改为“20480”，也就是 20KB。其他的选项保持默认设置，最后点击 Finish

• 添加 JTAG UART IP 核：
  
• 这里保持默认：
  
• 添加 System ID IP 核：
  
• 这里保持默认，点击finish：
  

2、重命名IP核&连线

为了方便我们的理解，以及后面的软件程序中可能会使用到，所以我们尽量重命名为简单易理解的名字。

• 右击点击rename重命名：
  
• 修改过后的名称：
  
• 连线：将IP核进行连接：

连接时，用鼠标点击“Connections‖一栏中相应的结点，连接后各结点处的空心圆会变成实心的点，同时相应的连线由浅灰色变成黑色。

• 将复位信号与时钟信号接入到各IP核下：
  
• 数据主端口―data_master‖和指令主端口―instruction_master‖的连线：
  
• 注意：

这两个端口的连线遵循以下规则：数据主端口与所有的外设 IP 核连接，而指令主端口只连接存储器 IP 核。

• 连接“jtag_debug_module_reset‖信号：
  
• 注意：

在连完线后，我们需要在“IRQ”一栏将 jtag_uart IP 核的中断信号与 Nios II 处理器连接起来。在连接中断的时候，Qsys 会自动为中断分配一个优先级。

• 双击Nios II IP核设置复位地址和异常地址：
  

这个时候finish会报错，我们先设置一下下面的自动分配

• 设置基地址分配：
  
  设置完了以后，之前的爆红就会消失，然后可以finish,Generate生成Qsys 系统了。
• 生成过程：
  

3、集成 Qsys 系统

• 将Qsys生成的.qip文件添加到工程：
  
• 配置Pll锁相环：
  这里因为我们前面设计Qsys系统时，配置的是100Mhz,所以这里我们需要创建一个PLL IP 核实现二倍频，这里由于前面文章已经介绍过，就不在赘述。
  IP核简介及PLL_IP核的调用

4、顶层文件实例化：

• 打开我们的Qsys设计界面，在Qsys文件夹找到qsys文件打开：
  
  
  
• 自动生成Qsys系统例化代码：
  

但是这里不知道咋的不能生成，那没事我们自己例化顶层模块，例化完放到rtl文件夹中，并添加到工程里设置为顶层文件。

module qsys_hello_world(
 input sys_clk, //晶振时钟，50Mhz
 input sys_rst_n //按键复位，低电平有效
 );
 
 //wire define
 wire clk_100m; //Qsys 系统时钟，100Mhz
 
 //例化 pll IP 核
 pll u_pll(
 .inclk0 (sys_clk),
 .c0 (clk_100m)
 );

 //例化 Qsys 系统
 hello u_qsys(
 .clk_clk (clk_100m),
 .reset_reset_n (sys_rst_n)
 );

 endmodule

5、编译下载操作：

• Assignment→Device:
  

• 将未使用的引脚设置为高阻输入：
  

• 将“Value‖一栏全部设置为 ―Use as regular I/O”：
  

• 下面就是分析综合然后分配引脚全编译：
  
  

编译通过，下一部分是软件的设计阶段。

三、软件设计

• 点击Toos下的Nios II SBT for Eclipse：
  

• 修改工作空间到 software 文件夹：
  

• 点击ok进入后选择file→New→Nios II Application and BSP from Template用于新建Nios II工程：
  

• 设置Nios II工程：
  

• 系统默认帮我们创建一个BSP(板级支持包)、保持默认、点击finish：
  

• 点击finish完成过后，我们会发现左边增加了两个文件：

• 点击c/c++的点c文件，修改输出内容并保存：
  

• 右击hello_world选择Build Project进行编译：

报错：

解决：
选中hello_world_bsp，右击，进行下面操作：

• 添加勾选：
  

enable_reduced_device_drivers：
BSP 为处理器的外设提供了两个版本的驱动库：一种是执行速度快，但代码量比较大的版本；另一种是封装小的版本。默认使用的是代码量大的版本， 这里通过
enable_reduced_device_drivers： 选项来选择封装小的版本，从而减少代码量。enalbe_small_c_library：完整的 ANSI C 标准库通常不适用于嵌入式系统，BSP 提供了一系列经过裁剪的 ANSI C 标准库，占用资源比较少，我们可以通过【enalbe_small_c_library】选项来选择精简的 ANSI C 标准库。

• 取消勾选：
  

enable_c_plus_plus： 我们使用 C 语言来编写软件程序，因此不需要使能 C++。
enable_clean_exit： 当选中该选项时，系统库在主函数 main()返回时会调用 exit()。调用 exit()时，首先会清理 I/O 的缓冲区，然后再调用_exit()。当不选中该选项时，系统库会只调用_exit()，这样将会节省程序空间。对于嵌入式系统程序来说，一般都不会从 main()返回，所以可以不勾选该选项。

然后我们先点击Generate，再exit。

• 编译整个工程：
  
• 编译成功：
  

四、下载验证

这里我们需要下载两个文件，先下载sof，再下载elf。这里我们只介绍elf文件的下载。

• 右击我们的工程名—>run as—>Nios II Hardware：

如果一步成功，那么你的控制台就会打印成功，否则跳出下面弹窗。

提示我们找不到与Nios II硬件系统的连接：

如果你这一步成功，那么你的控制台就会打印成功，否则跳出下面弹窗。

上面这个问题博主寻找了许久也没有发现问题，或者解决方法，丢弃了几天，在周末打开时他又行了，真是玄学，如果有友友了解的可以在评论区发表一下想法，一起学习。

• 在下载完成之后，控制台会输出相应信息：
  

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五、总结

总结的话就一句话，杀猪焉用牛刀哈，这里我们在实现简单输出时发现我们的步骤稍显复杂，这里的话为了方便我们后续的查看步骤，博主这里写的较为详细。在后面大的一些工程的话就能体会到Nios的魅力了。大家在配置的时候要细心，尤其连线那里，加油！最近在搞DHT11的温湿度读取和基于openvino的车牌识别，敬请期待。

六、参考资料

以上资料均来自正点原子的教学视频或开拓者2开发教程：原子官方
源码：https://github.com/no1jiangjiang/Nios_hello