基于Quartus II和Nios II的SOPC实例.pdf

### 基于Quartus II和Nios II的SOPC设计实例解析 #### 一、概述 本文档详细介绍了如何使用Altera公司的Quartus II开发工具和Nios II软核处理器来构建一个简单的片上系统(SOPC)。通过一个具体的实验——核心板上的两个LED交替闪烁，来引导读者熟悉SOPC的设计流程，包括Nios II软核的定制、软件开发流程以及使用Quartus II进行硬件设计等。 #### 二、基础知识回顾与准备 在深入讨论实验细节之前，我们先回顾一下Quartus II和Nios II的基础知识： 1. **Quartus II**：这是由Altera公司开发的一款功能强大的FPGA/CPLD设计工具。它提供了一整套的集成开发环境，支持从原理图输入到逻辑综合、布局布线、时序分析、功能仿真等各个环节的设计任务。 2. **Nios II**：Nios II是Altera公司提供的32位嵌入式RISC处理器内核。它是一种软核处理器，可以根据用户需求进行定制，并且可以灵活地集成到FPGA中。Nios II支持多种配置选项，包括不同性能级别的处理器内核(Nios II/f、Nios II/e 和 Nios II/s)。 3. **SOPC (System-on-a-Programmable-Chip)**：这是一种将各种IP核集成到单个可编程芯片上的技术，使得用户可以在同一块芯片上实现复杂的系统设计。SOPC结合了硬核处理能力和软核的灵活性，非常适合用于教学和研究。 #### 三、实验设计流程详解 接下来，我们将详细讲解实验的设计流程： 1. **新建工程**：创建一个名为“sopc_led”的工程目录，并在此目录下建立Quartus II工程。接着，创建一个顶层图，并将其保存于工程中。 2. **定制Nios II处理器及其外设**： - 使用SOPCBuilder工具定制Nios II处理器。 - 设置目标系统的名字为“niosii_c”。 - 配置时钟频率为50MHz，选择目标器件系列为Cyclone。 - 选择Nios II/e作为处理器内核。 - 添加内存模块（RAM），数据宽度为32bits，总大小为4Kbytes。 - 添加并配置PIO模块，以连接LED输出。 - 自动分配基地址和中断。 - 最终生成系统。 3. **添加PLL模块**：为了提高时钟频率，需要使用PLL模块对输入时钟信号进行倍频。通过Quartus II的库添加一个PLL模块，并配置其参数。 4. **硬件设计与编译**：将定制好的Nios II系统添加到Quartus II工程中，并进行整体的硬件设计和编译。 5. **软件开发**：使用Nios II IDE进行软件编程，编写控制LED闪烁的程序，并进行调试。 6. **测试验证**：将编译好的硬件设计下载到FPGA中，并通过调试器验证软件是否能够正确地控制LED闪烁。 #### 四、实验原理 在本实验中，通过软件控制核心板上的两个LED交替闪烁，具体步骤如下： 1. 定制Nios II处理器及其所需的外设。 2. 编写C语言程序来控制两个LED的亮灭。 3. 使用Quartus II进行硬件设计，并将设计文件下载到FPGA中。 4. 将C语言程序编译链接成可执行文件，并下载到FPGA中的RAM中运行。 5. 观察LED是否能按照预期的方式交替闪烁。 #### 五、结论 通过这个实验，不仅可以学习到Nios II软核的定制流程、软件开发流程以及Nios II IDE的使用方法，还可以深入了解如何使用Quartus II进行硬件设计和仿真，进一步掌握基于FPGA的SOPC设计技术。这对于嵌入式系统设计领域来说是非常宝贵的实践经验。