Nios-II入门实践
1、实验目的
①学习 Quartus 、Platform Designer、Nios-II SBT 的基本操作；
②初步了解 SOPC 的开发流程，基本掌握 Nios-II 软核的定制方法；
③掌握 Nios-II 软件的开发流程，软件的基本调试方法。
2、实验设备
硬件：PC 机、DE2-115 FPGA 实验开发平台；
软件：Quartus Prime 18.1、Platform Designer、Nios II SBT
3、实验内容
①在DE2-115开发板上用Nios软件编程方式完成LED流水灯显示
②用Nios软件编程通过DE2-115开发板串口输出“Hello Nios-II”字符到笔记本电脑串口助手
4、实验原理
4.1 nios介绍
NIOS硬件框架结构
①、处理器
在弄清楚什么是软核处理器之前，需要首先明白什么是处理器，这里笔者浅显的作一番解释。众所周知处，理器是可以按照指令序列完成特定的逻辑功能的集成电路，一般的常见的微控制器都为SOC，即片上系统，包括中央处理单元、总线、存储器、外设，比如大家熟知STM32，其F103系列就是由Coretex-M3内核、AHBAPB总线、RAM、ROM以及GPIO等等一些外设组成的，上述所有的内容包含在一个芯片上，所以称之为片上系统，也是常说的微处理器。
②、软核处理器
具有FPGA和数字电路基础知识的读者应该清楚，FPGA可以通过编程实现几乎所有的数字电路的功能，并且由于Verilog HDL等硬件描述语言具有类似于C语言这类高级语言的特点，还能描述一些复杂的功能。而处理器无非也是由触发器、寄存器、逻辑门这些基本的数字电路器件构成的，所以理论上来说，我们可以通过编程对一些处理器在FPGA上进行复刻，进行引脚分配以后，可以让FPGA变成一个处理器。软核处理器无非就是使用硬件描述语言来描述一个片上系统，使其可以实现微处理器的功能，相较于传统的封装好的处理器芯片，软核处理器具有可裁剪的特性、外设定制灵活等等优越性。
但是一个CPU的集成器件是非常多的，如果想要通过手工编写并进行逻辑分析是一件非常困难的事情。并且既然使用FPGA来实现一个CPU已经具有了这么多的灵活性，为什么不充分发挥他的优点，不再单纯的去模仿一些已经存在的处理器，而是设计一个能将FPGA的优势发挥到极致的全新的处理器。NIOS II由此应运而生。
4.2 具体原理
控制 LED 灯闪烁的用户程序代码很小，可将其固化在片内 ROM 来执行。变量、堆栈
等空间使用片内 RAM，不使用任何片外存储器。整个系统的框图如图 1 所示。
从图 1.1 控制 LED 闪烁的系统框图可知，其它逻辑与 Nios II 系统一样可存在于 FPGA
中。Nios II 系统可与其它片内逻辑相互作用，取决于整个系统的需要。为了简单起见，本实
验在 FPGA 内不包括其它逻辑。
5、实验步骤
5.1新建项目
5.2 Qsys 系统设计
①点击 Tools 下拉菜单下的 Platform Designer 工具
②启动 Platform Designer 后，点击 File-save，在文件名中填写为 kernel
后点击 OK
③鼠标放在 clk_0 处点击右键 Edit 或是双击 clk_0 元件，对 Clock 进行时钟设置，设为 50M
④添加 CPU 和外围器件。从 PD 的元件池中选择以下元件加入到当前设计的系统中：Nios II 32-bit CPU、jtag uart、片上存储器、PIO、system ID
⑤在 “component library” 标签栏中找到 “Nios II Processor” 后点击 Add
⑥在 Nios Core 栏中选择 Nios II/f 选项，其他保持默认选项
⑦在 ”Caches and Memory Interfaces” 标签栏中保持默认设置 （Instruction Cache 选择
4Kbytes），在 ”Advanced Features” 标签栏中保持默认设置， 在 ”MMU and MPU Settings” 标签栏中保持默认设置，在 ”JTAG Debug Module” 标签栏中保持默认设置
⑧点击 Finish 回到 Qsys 界面 将 nios2_qsys_0 重命名为 cpu，点击 ”Rename” 即可重新命名，将 cpu 的 clk 和 reste_n 分别与系统时钟 clk_0 的 clk 和 clk_reset 相连
⑨同样，在 ”Component Library” 标签栏中的查找窗口输入 jtag 找到 ”JTAG UART ”，然后点击 Add
①〇 在 JTAG UART-jtag-uart_0 的设置向导中保持默认选项，点击 Finish
①① 返回 ”System Contents” 标签栏可以看到新加入的 ”JTAG UART” 核。在 ”Name” 列中将
jtag-uart_0 重命名为 jtag-uart。进行 clk、reset 以及 master-slave 的连线，进行中断 irq 连线
①② 在左侧 ”Component Library” 标签栏中的查找窗口输入 On Chip 找到 ”On-Chip
Memory(RAM or ROM)” 后点击 Add
①③在 ”Size” 栏中的 ”Total memory size” 窗口中输入 40960（即片上内存的大小为 40KB），其余选项保持默认，点击 Finish。
①④返回 ”System Contents” 标签栏可以看到新加入的 ”On-Chip Memory” 核。在 ”Name”
列中将 onchip_memory2_0 改名为 onchip_ram。进行时钟、数据端口、指令端口的连接。
①⑤在左侧 ”Component Library” 标签栏中的查找窗口输入 pio 找到 ”PIO” 后点击Add
①⑥确定以下选项：Width 为 8bits，Direction 选择 output，其余选项保持默认，点击
Finish
①⑦返回 ”System Contents” 标签栏可以看到新加入的 ”PIO” 核。在 ”Name” 列中将
pio_0 改名为 pio_led。并在在 Export 栏处双击，把输出口引出来，并命名为 out_led。
进行时钟、数据端口、指令端口的连接。
①⑧在左侧 ”Component Library” 标签栏中的查找窗口输入 sys 找到 ” System ID
Peripheral” 后点击 Add。保持默认选项，单击 Finish。
①⑨返回 ”System Contents” 标签栏可以看到新加入的 ” System ID Peripheral” 核。在 ”Name” 列中将 sysid_qsys_0 改名为 sysid。进行时钟、数据端口的连接。
②0 再次确认检查
②① 点击 Qsys 主界面菜单栏中的 ”System” 下的 ”Assign Base Addresses”
②②在 ”IRQ” 标签栏下点选 ”Avalon_jtag_slave” 和 IRQ 的连接点就会为 ”jtag_uart” 核添加一个值为 0 的中断号
②③从 ”System Contents” 标签栏双击建立好的 cpu 进入 Nios IIProcessor 的配置界面，配置 Reset Vector 和 Exception Vector 为”onchip_ram.s1”，点击 Finish。
②④点击 Qsys 主界面菜单栏中的 ”System” 下的 ”Create Global Reset Network”。完成后会自动连接所有复位端口
②⑤点选 ”Generation HDL” 标签栏中 Generate 按钮生成 Qsys 系统,保存文件
②⑥完成后，点击 Close 后关闭窗口后，再关闭 Qsys 主界面
5.3逻辑及引脚配置
①在 Quartus-II 中新建一个原理图
②在该原理图(BDF)文件中添加 Qsys 生成的系统符号
③点击 Assignments-Settings，添加 kernel.qip 文件
④在 kernel 模块内点击鼠标右键选取 Generate Pin for Symbol Ports 生成管脚，然后将管脚命名如下
⑤菜单里选择 Assignments-device，然后如下图所示点击 Device pin options
⑥进行 unused pin 设置，可能会收到外部信号的干扰，将未用引脚设置为 As
input tri-stated
（编译工程）
⑦分配物理针脚
（再次编译工程，至此完成项目的硬件设计）
5.4设计
①在 Quartus-II 界面，点击Tools，然后点击 Nios II Software Build Tools for Eclipse 打开 Nios II SBT for Eclipse。启动 Workspace 选择当前的项目目录，点 OK。
②创建工程
③在 ”SOPC Information File name” 窗口中选择 kernel.sopcinfo 文件，以便将生成硬件配置信息和软件应用关联，CPU 栏会自动选择”CPU”。在 ”Project name” 输入 ”hello_world” ，Project template选择 Hello World。
④将 hello_world.c 中的程序修改为流水灯控制程序，保存。
#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
const alt_u8
led_data[8]={0x01,0x03,0x07,0x0F,0x1F,0x3F,0x7F,0xFF};
int main (void) {int count=0;alt_u8 led;volatile int i;while (1){if (count==7){count=0;}else{count++;}led=led_data[count];IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PIO_LED_BASE, led);i = 0;while (i<500000)i++;printf("Hello world!\n");}return 0;
}
⑤选择hello_wold_bsp，右键后，选择Nios II中的Generate BSP
⑥右键单击项目名称，在弹出的菜单中选择 Build Project
5.5测试
①连接 JTAG 到开发板，确定 A.已正确安装驱动。B. 防火墙不会影响到 JTAG
的正常工作。最后给开发板上电。 如下图所示，启动 Quartus Prime Prog。添加下载文件。然后点击 Start 开始下载，下载成过后关闭，回到 Eclipse 主机面
②运行/调式程序
③菜单栏中选择 Run →Run Configurations，配置 Run Configurations，选择project
④转到”Target Connection”标签栏，点击右侧的 Refresh
Connections 将 USB-Blaster 加入，如下图所示。
⑤Apply 后，Run。下载完成后，可以看见 Console 里打印信息
⑥开发板的 LED 灯循坏闪烁
6、参考
https://blog.csdn.net/Mouer__/article/details/123856392
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