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Verilog HDL数字设计实训教程第4章 NiosII处理器实训项目第第1章章 Verilog HDL数字设计实训基础数字设计实训基础第第2章章 接口类实训项目接口类实训项目第第3章章 数字系统应用类实训项目数字系统应用类实训项目第第4章章 NiosII处理器实训项目处理器实训项目第4章 NiosII处理器实训项目4.1 基于NiosII系统的设计流程 4.2 基于NiosII处理器的PIO核的应用 4.3 基于NiosII处理器的UART核的应用 4.4 小结 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 1.NiosII处理器简介处理器简介 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 1.NiosII处理器简介处理器简介 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-3 添加源文件添加源文件4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-4 FPGA器件选择器件选择 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-5 第三方第三方EDA工具选择工具选择 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-6 新建工程完成新建工程完成 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-7 选择选择SOPC Builder菜单项菜单项 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-8 新建一个新建一个NiosII系统系统 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-9 系统时钟设置系统时钟设置 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-10 添加添加NiosII处理器处理器 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-11 NiosII处理器设置处理器设置 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-12 添加处理器后的添加处理器后的SOPC builder界面界面 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-13 添加片上添加片上RAM 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-14 片上片上RAM设置设置4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-15 添加添加JTAG UART外设外设 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-16 JTAG UARTSminulation设置设置 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-17 NiosII处理器结构处理器结构 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-18 设置处理器复位地址和异常地址设置处理器复位地址和异常地址4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-19 重分配基地址和中断号重分配基地址和中断号 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-20 NiosII处理器结构（重新分配基地址和中断号）处理器结构（重新分配基地址和中断号）4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-21 建立原理图文件建立原理图文件 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-22 添加添加nios_processor 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-23 原理图界面原理图界面 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-24 创建新的宏功能模块创建新的宏功能模块 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-25 添加添加PLL模块模块 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-26 PLL输入频率设置输入频率设置 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-27 PLL可选信号设置可选信号设置 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-28 PLL输出频率设置输出频率设置 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-29 修改元件属性修改元件属性 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-30 修改元件属性后的原理图修改元件属性后的原理图 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-31 引脚锁定引脚锁定4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 2.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-32 将程序下载到将程序下载到FPGA4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计图图4-33 设置设置NiosII软件存放目录软件存放目录 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计 图图4-34 新建新建NiosII工程工程 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计 图图4-35 NiosII工程设置工程设置 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计 图图4-36 编译后的报错信息编译后的报错信息 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计 图图4-37 工程优化界面工程优化界面 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计 图图4-38 新建硬件运行实例新建硬件运行实例 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计 图图4-39 运行配置选项运行配置选项 4.1 基于基于NiosII系统的设计流程系统的设计流程 3.NiosII软件设计软件设计 图图4-40 NiosII系统运行结果系统运行结果 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 1.设计要求设计要求 使用使用I/O口可以完成对口可以完成对led、数码管和液晶的控制、可以、数码管和液晶的控制、可以完成对键盘的处理。请分别完成下面完成对键盘的处理。请分别完成下面3个设计要求：个设计要求：（1）控制）控制4个个led灯：按照灯：按照1、2、3、4的顺序依次点亮的顺序依次点亮所有灯，间隔所有灯，间隔0.25s；然后再按；然后再按1、2、3、4的顺序依的顺序依次熄灭所有灯，间隔次熄灭所有灯，间隔0.25s。（2）依次选通）依次选通2个数码管，个数码管，数码管数码管1显示数字显示数字1，数码，数码管管2显示数字显示数字2，间隔，间隔1s。（3）处理）处理4个按键：按键编号为个按键：按键编号为1、2、3、4，要求在，要求在按下按键并松开后，能够在按下按键并松开后，能够在2只数码管中显示相应按只数码管中显示相应按键的序号。键的序号。4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 2.PIO核的功能描述核的功能描述 图图4-41 使用使用多个多个PIO核的系统实例核的系统实例 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 2.PIO核的功能描述核的功能描述 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 2.PIO核的功能描述核的功能描述 图图4-42 PIO基本设置界面基本设置界面 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 2.PIO核的功能描述核的功能描述 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 2.PIO核的功能描述核的功能描述 图图4-43 PIO输入端口设置界面输入端口设置界面 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 2.PIO核的功能描述核的功能描述 图图4-44 PIO仿真设置界面仿真设置界面 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-45 新建工程新建工程 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-46 新建工程完成新建工程完成 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-47 新建一个新建一个NiosII系统系统 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-48 添加添加SDRAM Controller 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-49 SDRAM Controller配置配置 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-50 SDRAM Controller时序配置时序配置 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-51 添加添加PIO 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-52 控制控制4个个led的的PIO 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-53 控制数码管的控制数码管的PIO 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-54 控制液晶的控制液晶的PIO 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-55 读取按键信息的读取按键信息的PIO 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-56 NiosII处理器结构处理器结构 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-57 设置处理器复位地址和异常地址设置处理器复位地址和异常地址 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-58 NiosII处理器结构（重新分配基地址和中断号）处理器结构（重新分配基地址和中断号）4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-59 添加添加nios_pio 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-60 原理图界面原理图界面 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-61 添加添加PLL模块模块 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-62 PLL输入频率设置输入频率设置 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-63 PLL可选信号设置可选信号设置 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-64 PLL输出频率输出频率c1设置设置 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-65 修改元件属性后的原理图修改元件属性后的原理图 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-66 将程序下载到将程序下载到FPGA 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 4.NiosII软件设计软件设计图图4-67 设置设置NiosII软件存放目录软件存放目录 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 4.NiosII软件设计软件设计图图4-68 新建新建NiosII工程工程 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 4.NiosII软件设计软件设计图图4-69 NiosII工程设置工程设置 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 4.NiosII软件设计软件设计图图4-70 工程设置界面工程设置界面 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 4.NiosII软件设计软件设计图图4-71 新建硬件运行实例新建硬件运行实例 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 4.NiosII软件设计软件设计图图4-72 运行配置选项运行配置选项 4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 4.NiosII软件设计软件设计图图4-73 NiosII系统向系统向JTAG UART输出的结果输出的结果4.2 基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核核的应用的应用 5.扩展部分扩展部分 请读者思考请读者思考并实现以下扩展功能：并实现以下扩展功能：（1）设计几种跑马灯的运行模式，并通过某个按键进行模式选择，模式）设计几种跑马灯的运行模式，并通过某个按键进行模式选择，模式选择通过按键加选择通过按键加1计数即可实现。当选择某种模式后，计数即可实现。当选择某种模式后，led灯就按着既定的灯就按着既定的模式运转。模式运转。（2）控制数码管的显示：让控制数码管的显示：让2个数码管同时稳定的显示个数码管同时稳定的显示12。（3）控制液晶显示静态信息：第一行显示：）控制液晶显示静态信息：第一行显示：HEJK WELCOME U！；第！；第二行显示：二行显示：QQ:2372775147。提示：控制液晶显示，与控制数码管显示提示：控制液晶显示，与控制数码管显示有相通之处，请读者在理解数码管显示控制的基础上编写液晶显示控制程有相通之处，请读者在理解数码管显示控制的基础上编写液晶显示控制程序。序。（4）在液晶上显示动态信息。）在液晶上显示动态信息。（5）使用）使用NiosII处理器，完成前几章的所有项目（除处理器，完成前几章的所有项目（除UART项目外）。项目外）。（6）使用）使用NiosII处理器进行软件设计，涉及的内容非常多。比如：中断处理器进行软件设计，涉及的内容非常多。比如：中断就是处理器设计中非常重要的内容之一。请读者参阅相关书籍，尝试使用就是处理器设计中非常重要的内容之一。请读者参阅相关书籍，尝试使用中断技术完成以上所有项目的设计。中断技术完成以上所有项目的设计。4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用1.设计要求设计要求 FPGA通过串口与微机实现通信，串口处于全通过串口与微机实现通信，串口处于全双工工作状态，具体要求如下：双工工作状态，具体要求如下：（1）四个按键中任意按下一个键，）四个按键中任意按下一个键，FPGA/CPLD都向都向PC发送发送“HELLO！字符串，在串口调试字符串，在串口调试工具设成按工具设成按ASCII码接受方式，并将码接受方式，并将FPGA发发送来的信息显示在串口调试工具上；送来的信息显示在串口调试工具上；（2）PC可随时向可随时向FPGA发送发送0-9中的任一个数字，中的任一个数字，FPGA接受后显示在数码管上。接受后显示在数码管上。4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用2.UART核的功能描述核的功能描述 图图4-74 UART内核结构框图内核结构框图 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用2.UART核的功能描述核的功能描述 表表 4-6 UART 核的寄存器映射核的寄存器映射表表4-7 状态寄存器各个位的含义状态寄存器各个位的含义表表4-8 控制寄存器各个位的含义控制寄存器各个位的含义4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用2.UART核的功能描述核的功能描述 图图4-75 PIO输入端口设置界面输入端口设置界面 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用2.UART核的功能描述核的功能描述 图图4-76 UART仿真设置界面仿真设置界面 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-77 新建工程新建工程 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-78 新建工程完成新建工程完成 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-79 新建一个新建一个NiosII系统系统 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-80 添加添加UART 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-81 UART设置设置 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-82 NiosII处理器结构处理器结构4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-83 设置处理器复位地址和异常地址设置处理器复位地址和异常地址 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-84 NiosII处理器结构（重新分配基地址和中断号）处理器结构（重新分配基地址和中断号）4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-85原理图界面原理图界面 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-86 修改元件属性后的原理图修改元件属性后的原理图 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用3.NiosII硬件环境的搭建硬件环境的搭建 图图4-87 将程序下载到将程序下载到FPGA 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用4.NiosII软件设计软件设计图图4-88 设置设置NiosII软件存放目录软件存放目录 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用4.NiosII软件设计软件设计图图4-89 NiosII工程设置工程设置 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用4.NiosII软件设计软件设计图图4-90 工程设置界面工程设置界面 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用4.NiosII软件设计软件设计图图4-91 新建硬件运行实例新建硬件运行实例 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用4.NiosII软件设计软件设计图图4-92 运行配置选项运行配置选项 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用4.NiosII软件设计软件设计图图4-93 串口调试助手设置以及运行结果显示串口调试助手设置以及运行结果显示 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用4.NiosII软件设计软件设计图图4-94 NiosII系统向系统向JTAG UART输出的结果输出的结果 4.3 基于基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用核的应用5.扩展部分扩展部分 请读者思考请读者思考并实现以下扩展功能：并实现以下扩展功能：（1）FPGA向向PC发送动态信息，发送动态信息，PC接收到的信息显示接收到的信息显示在虚拟终端上。在虚拟终端上。（2）PC向向FPGA发送信息，发送信息，FPGA接收信息后将信息接收信息后将信息显示到显示到LCD上。上。4.4 小结小结在本章，重点讨论了以下知识点：在本章，重点讨论了以下知识点：以一个简单的以一个简单的NiosII系统工程为例，详细介绍系统工程为例，详细介绍了了NiosII系统的建立与运行的基本步骤与方法。系统的建立与运行的基本步骤与方法。简要介绍了简要介绍了PIO核的功能、特点，搭建了一个核的功能、特点，搭建了一个基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核的硬件环境，进行了核的硬件环境，进行了基于基于NiosII处理器的处理器的PIO核的应用软件设计。核的应用软件设计。简要介绍了简要介绍了UART核的功能、特点，搭建了一核的功能、特点，搭建了一个基于个基于NiosII处理器的处理器的UART核的硬件环境，进核的硬件环境，进行了基于行了基于NiosII处理器的处理器的UART核的应用软件设核的应用软件设计。计。