1、 沈阳理工大学沈阳理工大学 信息科学与工程学院信息科学与工程学院信息实验技术中心电子系统设计实验电子系统设计实验电工电子实验中心上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境下载区下载区数码管指示数码管指示灯输出单元灯输出单元电机输出单元电机输出单元数字量输入单元数字量输入单元下载目标板下载目标板单片机下载单元单片机下载单元液晶屏液晶屏模拟信号模拟信号输入单元输入单元频率频率输出单元输出单元频率频率选择单元选择单元A/D和和D/A处理单元处理单元点阵输出单元点阵输出单元上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计
2、电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境下载区下载区数码管数码管指示灯指示灯输出单元输出单元液晶屏液晶屏模拟信号模拟信号输入单元输入单元电机电机输出单元输出单元下载目标板下载目标板数字点阵数字点阵输出单元输出单元频率频率输出单元输出单元数字量数字量输入单元输入单元单片机单片机下载单元下载单元A/D和和D/A处理单元处理单元频率频率选择单元选择单元上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计SW1SW16是拨码开关，向上为1；向下为0。本实验箱指定了SW1SW8的端口（见附录）；而SW9SW16未指定端口，不能使用。注意：注意：SW7和SW8的端口号
3、。对应的管脚，参考实验报告书后面实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计AN1AN8是按键开关，按下为1；不按为0。（端口号见附录）组合逻辑对应的管脚，参考实验报告书后面实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计有5个时钟源CLK1CLK5，端口号见附录。使用时，将短路块插在所需频率的跳针上即可。对应的管脚，参考实验报告书后面时序逻辑实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子
4、系统设计8个数码管LED1LED8，端口号见附录。数码管采用扫描方式显示，8个数码管的对应笔段共用同一端口，利用74LS138输出片选，任一时刻只选通一个数码管，当扫描频率足够快时，可看作同时显示。对应的管脚，参考实验报告书后面实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计如：当指定S3S2S1011时，则选通左边第四个数码管实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计12个发光二极管D112D101，端口号见附录。高电平点亮，低电平熄灭实验一、实验
5、一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计主芯片实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境一、实验目的一、实验目的 1：练习使用：练习使用QUARTUS II 7.1软件，掌握利软件，掌握利用该软件进行简单用该软件进行简单EDA设计的基本流程。设计的基本流程。2：完成一个通过拨码开关控制发
6、光二极管亮：完成一个通过拨码开关控制发光二极管亮灭的应用，实验结束后可独立完成思考题。灭的应用，实验结束后可独立完成思考题。上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境步骤一：项目的创建步骤一：项目的创建（1）.建立工程，设计输入。选择菜单“File”“New Preject Wizard”二、实验内容及步骤二、实验内容及步骤上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境（2）点击Next，为工程选择存储目录、工程名称、顶层实体名等，如图1-3 所示
7、；（3）点击Next，若目录不存在，系统可能提示创建新目录，如图1-4所示，点击“是”按钮创建新目录，系统显示如图1-5所示；（4）系统提示是否需要加入文件，在此不添加任何文件；（5）点击Next，进入设备选择对话框，如图1-6，这里选中实验箱的核心 芯片CYCLONE系列FPGA产品EP1C6Q240C8；（6）点击Next，系统显示如图1-7，提示是否需要其他EDA工具，这里不选 任何其他工具；（7）点击Next后，系统提示创建工程的各属性总结，若没有错误，点击 Finish，工程创建向导将生成一个工程，这时软件界面如图1-8，在窗口左侧显示出设备型号和该工程的基本信息等。上页上页下页下页
8、沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境Cyclone系列的EP1C6Q240C8图1-6 上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境图1-7 上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境步骤二：步骤二：VHDL文本编辑输入文本编辑输入1.选择File/New或点击主菜单中的空白图标，进入新建程序文件状态，选择VHDL file。VHDL程序文件的扩展名是：*.vhd 为实现用一个拨码
9、开关控制一个LED亮灭的功能，可用VHDL编写一个程序实现 上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境2.点击OK按钮进入VHDL文本编辑环境界面上页上页下页下页沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境3、在编辑窗口中编辑以下程序：library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity test i
10、s Port(led:out std_logic;key:in std_logic );end test;architecture Behavioral of test isbeginled Start Compilation编译该文件，系统将开始编译，结束后，给出提示信息和编译结果，如图1-11所示：图1-11沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境6.点击Assignment-Pins进行引脚分配，实验箱上拨码开关和LED对应的引脚分别为58和98，分配结果如图1-12所示。沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计7.
11、参照步骤（5）重新编译系统，系统将生成FPGA配置文件，在编译过程中若显示警告可不理会；8.准备下载，注意打开实验箱电源，并连接下载电缆；9.点击Tools-Programmer将配置文件下载到FPGA，系统显示如图1-13所示，注意选择下载模式为JTAG，若下载线硬件显示“No Hardware”（如图1-13所示），则点击Hardware Setup按钮，系统显示如图1-14，双击USB-Baster，设定其为当前选定硬件，再点Close返回。实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图1-13 下载界面实验一、实验一、Quart
12、us II开发环境开发环境沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图1-14 下载线配置实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图1-15 配置好下载电缆的下载界面实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计观察实验效果，尝试开关拨码开关观察实验效果，尝试开关拨码开关K1，发光二极管发光二极管D1-1将随之亮灭。将随之亮灭。实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 通过本实验学生应掌握通过本实验学生应掌握
13、QUARTUS 7.1软件的软件的基本使用方法和利用该软件进行基本使用方法和利用该软件进行EDA设计的基本设计的基本流程。本实验的内容虽然简单，但却是进行复杂流程。本实验的内容虽然简单，但却是进行复杂设计的基础。设计的基础。三、三、实验总结实验总结实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 本实验是利用本实验是利用1个拨码开关控制个拨码开关控制1个个LED，现要求利用，现要求利用8个个拨码开关控制拨码开关控制8个个LED，在现有的实验环境下在现有的实验环境下完成。实验箱上完成。实验箱上8个拨个拨码开关控制码开关控制8个个LED对对应的
14、应的FPGA引脚为：引脚为：四、四、思考题思考题 名称引脚名称引脚K158D1-198K257D1-299K356D1-3100K455D1-4101K554D1-5102K653D1-6103K750D1-7104K849D1-8105实验一、实验一、Quartus II开发环境开发环境沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验 一、实验目的及要求：一、实验目的及要求：1、学习使用、学习使用QUARTUS II 7.1、SOPC Builder、NIOS II IDE软件，掌握利用这些软件，掌握利用这些软件进行简单软件进行简单S
15、OPC设计和调试的基本流程；设计和调试的基本流程；2、完成一个简单的、完成一个简单的NIOS II CPU设计，通设计，通过过JTAG-UART接口向计算机发送一段字符接口向计算机发送一段字符串。串。沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 二、实验环境及器材：二、实验环境及器材：1、微机（已安装授权的、微机（已安装授权的QUARTUS II 7.1、SOPC Builder、NIOS II IDE）2、EDA/SOPC实验开发系统实验开发系统 3、USB Blaster下载线一根下载线一根沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 三、背景知识及操作流程：三、背景知识及操作
16、流程：NIOS II 软核CPU是ALTERA公司2005年推出的新一代软核CPU产品，较其前一代产品NIOS，在用户界面、可调试性等方面都有了很大的改进，目前最新版本为7.1。NIOS II设计工具为SOPC BUILDER，已嵌入到QUARTUS II软件中，调试工具为NIOS II IDE。本实验设计一个含NIOS II CPU的简单应用，可在控制台显示一段字符串，具体实验步骤如下：（1）启动QUARTUS软件并建立一个工程，其过程请参照实验1，在此不作赘述，工程名不妨命名为hello；（2）点击Tools-SOPC Builder，启动SOPC Builder，如图5-1所示；实验二实
17、验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（3）启动SOPC Builder后，系统提示输入系统名以及目标语言，这里可随意为系统命名，不妨命名为MYCPU，请注意该名称将在后面的设计中用到，因此最好命名为有意义的名字，目标语言不妨选VHDL；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（4）点击OK，系统显示SOPC Builder界面，窗口左侧为IP核列表，右侧为设计界面，下方为信息窗口。由于实验箱上FPGA的工作时钟为24MHz，因此须更改时钟设置，只要鼠标双击频率数并进行
18、修改即可；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（5）下面就可以为设计添加组件了，首先双击左侧的Nios II Processor，为系统添加Nios II CPU，系统显示如图2-4，Nios II的类型分为经济型、标准型和完全型三种，这里选标准型，即Nios II/s，其他选项取默认值即可，点击Finish，系统显示如图2-5所示；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系
19、统设计电子系统设计（6）最好为添加的CPU更改个名字，用鼠标右键点击CPU，选Rename为其更名，不妨更名为MYNIOS，系统显示如图2-6所示，请注意这时信息窗有三行提示，可暂时不去管它。（7）继续为设计添加组件，在左侧列表中选择On Chip Memory(ROM or RAM)，双击后，系统显示如图2-7；首先为系统添加片上ROM，在内存类型上选ROM，数据宽度选32位，容量选1Kbytes，其他内容可不作修改；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（8）类似（6），为设计添加1K字节片上RAM组件，其选项界面如图2-
20、9所示，添加完成后将其更名为RAM。添加完ROM和RAM后，请将它们的基地址分别更改为0 x00001000和0 x00002000，如图2-10所示；（9）设计添加UART JTAG组件，从左侧列表中选择UART JTAG并双击，系统显示，不用更改设置，直接点击Finish，完成所有组件的添加，系统显示如图2-12；（10）MYCPU为其设置复位向量和异常向量，如图2-13所示，复位向量的内存选ROM，异常向量的内存选RAM，地址不用改变；（11）至此，CPU的所有组件添加完毕，点击Generate开始生成CPU。（12）生成过程结束后，系统给出相应提示“System generation
21、was successful”，如图2-14所示，至此CPU设计完成。实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验图2-12 添加完成所有组件沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验图2-14 CPU生成完毕沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 CPU设计完成后，返回到Quartus窗口，利用顶
22、层图的设计方法进行该CPU的应用设计，具体步骤如下：（1）新建一个BDF文件，系统显示BDF设计窗口，点击Symbol Tools后，展开左侧的Library，在Project下出现一个组件，名称为MYCPU，如图2-15所示，这就是刚才生成的CPU，双击该CPU将其加入设计窗口；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（2）类似实验1的操作，添加两个INPUT类型的PIN，分别连接到MYCPU的clk和reset_n，并更名为CLOCK和RESET，如图2-16所示，这两个引脚分别是所设计CPU的时钟和复位引脚；（3）存盘，命
23、名为hello.bdf；（4）编译系统，注意本设计目前还未进行引脚锁定，因此编译过程可在进行完Analysis&Synthesis后人为中断；（5）类似实验1操作，对CLOCK和RESET两个引脚进行锁定，它们对应的FPGA引脚分别为28和240；（6）再次编译系统，直到最后结束，在编译过程中可能会出现若干警告可不去理会；编译结束后将生成相应的配置文件hello.sof;（7）类似实验1操作，将hello.sof下载到FPGA；至此，实验箱上的FPGA已经成为一个具有调试接口的CPU，可对其进行编程令其完成某些操作，本实验令其通过JTAG UART向计算机发送一段字符串并显示到计算机控制台，具
24、体操作如下：（1）启动NIOS II IDE后，点击File-New-NIOS II C/C+Application，如图2-17所示；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（2）在name栏中为工程名命名，不妨为hello；在location栏中指定存储位置；在SOPC Builder System PTF File栏内指定该工程所用到的CPU，本例为刚才创建的MYNIOS；在工程模板列表中选Hello World Sm
25、all，由于本例设计的CPU只有少量的RAM，不能选Hello World模板。完成以上设置后，点击Next，此页面的设置不做任何修改，点击Finish，系统将按Hello World Small工程模板为本应用创建工程，创建结束后，在NIOS II IDE 左侧的工程列表中将多出两个，一个是hello，另外一个是hello_syslib，同时创建了若干C源文件，其中包括main函数的文件如图2-18所示：实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图2-18 NIOS II IDE创建完成的hello工程实验二实验二 SOPC基础
26、实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（3）用户可对该源文件进行修改，实现用户要求的功能，例如在alt_putstr语句下添加一条新语句：alt_printf(“Hello from SOPC Lab!n”);（4）存盘后，鼠标右键点击左侧的hello工程名，选Build Project，开始对该工程进行编译。与一般的编译工具类似，若程序中存在错误，NIOS II IDE也会给出错误信息，供用户更改程序。（5）若编译成功，则可运行，选择Run-Run，系统显示如图2-19，为了使程序在实验箱上运行，可用鼠标右键点击Nios II Hardware，并选
27、择New，系统将创建一个新的运行配置文件，如图2-20所示。请注意，若NIOS II IDE同时包含多个工程，在进行此步操作之前，一定要在窗口左侧的工程列表中将要运行的工程名选中。（6）点击Run，则系统开始运行，请注意，该应用是在实验箱FPGA上的CPU运行的，运行结果如图2-21所示；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图2-21 运行结果实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（7）在屏幕下方的控制台窗口中显示的就是该应用的运行结果，由显示结果看，程序运
28、行正确，可点击红色的终止按钮或Ctrl-C结束运行；实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 至此，一个完整的NIOS II应用设计、运行完成。NIOS II CPU支持调试，即单步执行、察看变量值等操作，下面简单介绍一下调试过程：为说明问题，将上面程序作简单修改如图2-22所示，编译通过后，点击Run-Debug，系统显示类似图2-20，再点击Debug开始调试，系统显示如图2-23，这时可按F6单步执行，注意观察屏幕右上方窗口显示的变量值的变化，可点击红色的终止按钮结束程序调试。实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hell
29、o实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图2-23 NIOS II调试界面实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 四、实验总结四、实验总结 QUARTUS II、SOPC BUILDER、NIOS II IDE三个软件为用户提供了完整的三个软件为用户提供了完整的SOPC设计和设计和调试工具，通过本实验学生应掌握调试工具，通过本实验学生应掌握SOPC设计和设计和调试的基本流程，学生应在操作过程中反复练习，调试的基本流程，学生应在操作过程中反复练习，熟练使用这三个软件。本实验是进行复杂熟练使用这三个软件。本实验
30、是进行复杂SOPC设计的基础。设计的基础。实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 五、思考题五、思考题 利用本实验设计的利用本实验设计的NIOS II CPU，设计程序，设计程序，完成完成1+3+99，并将结果通过，并将结果通过JTAG-UART传送传送到计算机并显示在计算机的控制台窗口，利用调到计算机并显示在计算机的控制台窗口，利用调试工具对该程序进行调试。试工具对该程序进行调试。实验二实验二 SOPC基础实验基础实验Hello实验实验沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验
31、实验 一、实验目的及要求：一、实验目的及要求：1、学习设计和使用、学习设计和使用NIOS II PIO进行进行IO操作的操作的基本流程；基本流程；2、完成一个具备、完成一个具备PIO的简单的的简单的NIOS II CPU设设计，实现利用一个拨码开关控制一个计，实现利用一个拨码开关控制一个LED的亮灭。的亮灭。沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验 二、实验环境及器材：二、实验环境及器材：1、微机（已安装授权的、微机（已安装授权的QUARTUS II 7.1、SOPC BUILDER、NIOS II IDE）2、EDA/SOPC实验开发系统
32、实验开发系统 3、USB Blaster下载线一根下载线一根沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验 三、背景知识及操作流程：三、背景知识及操作流程：IO是一般CPU的必配资源，NIOS II的IO是通过用户自行设计PIO（Parallel I/O）实现的，本实验完成与实验1相同的结果，但要通过NIOS II 编程实现，具体的操作过程如下：（1）启动QUARTUS软件，并建立一个工程，不妨命名为KEYLED（2）启动SOPC BUILDER设计CPU，为本设计加入NIOS II Processor、1K字节的片上ROM、1K字节的片上RAM
33、、JTAG-UART，注意将ROM和RAM的基地址更改为0 x00002000和0 x00004000，结果如图3-1所示；沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验图3-1 为CPU添加NIOS II Processor、片上ROM、片上RAM和JTAG-UART沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验（3）为CPU添加连接拨码开关的输入PIO组件，双击左侧IP列表中的PIO（Parallel I/O）组件，配置页如图3-2，选择PIO的宽度为1，方向为input ports only，
34、由于本实验不涉及中断编程，所以其他的选项不作修改，点击Finish，窗口中显示已添加了一个名为pio的组件，将其更名为KEY;图3-2 拨码开关的PIO选项图3-3 LED的PIO选项沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验（4）为CPU添加连接LED的输出PIO组件，双击左侧IP列表中的PIO（Parallel I/O）组件，配置页如图3-3，选择PIO的宽度为1，方向为output ports only，其他的选项不作修改，点击Finish，窗口中显示已添加了一个名为pio的组件，将其更名为LED;（5）至此，CPU设计完成，点击Gen
35、erate生成CPU；（6）返回QUARTUS软件，创建一个新的BDF文件，加入刚刚设计的CPU，该CPU有4个IO接口，一个是时钟，一个是复位，一个是输入IO，一个是输出IO，为该CPU配置4个PIN，请注意添加PIN的方向，添加完成后将PIN分别更名为CLOCK、RESET、KEY、LED，结果如图3-4所示；沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验图3-4 本设计的顶层图沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验（7）保存该BDF文件，文件名为KEYLED，然后进行编译；（8）进行引
36、脚锁定，它们对应的引脚号如下表：（9）再次编译系统，若出现警告可不理会，系统将生成keyled.sof文件；（10）将SOF文件下载到FPGA，这时，实验箱上的FPGA已经成为一块NIOS II CPU；（11）启动NIOS II IDE，创建一个NIOS II C/C+Application工程，不妨命名为KEYLED，指定存储路径，选刚刚设计好的CPU为目标营建，选Hello World Small为工程模板，这些设置如图3-5所示；名称引脚名称引脚K158D1-198CLOCK28RESET240沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实
37、验图3-5 新建的NIOS II 工程设置沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验（12）将程序更改为如下代码：）将程序更改为如下代码：#include system.h#include altera_avalon_pio_regs.h#include alt_types.h#include sys/alt_stdio.hint main()alt_u32 i;alt_putstr(Hello from SOPC Lab!n);while(1)i=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_BASE);IOWR_ALTE
38、RA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE,i);return 0;沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验（13）编译、运行程序，观察运行结果，改变拨码开关K1的状态，观察发光二极管D1-1是否跟随开关的状态变化；（14）对程序进行单步执行等调试练习，观察程序执行过程与实验箱硬件状态变化间的关系。沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验 四、实验总结四、实验总结 通过本实验学生应掌握利用NIOS II PIO设计的基本流程，掌握PIO软件编程的基本知识和技巧。PIO是一般C
39、PU应用最广的资源，与硬核CPU具有固定的资源量相比，软核CPU在资源配置上具有更大的灵活性。沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验三实验三 SOPC实验实验PIO实验实验 五、思考题五、思考题1、比较本实验和实验1的结果和实现机理上的差别。2、本实验是利用1个拨码开关控制1个LED，现要求利用8个拨码开关控制8个LED，在现有的实验环境下利用NIOS II 编程实现。实验箱上8个拨码开关控制8个LED对应的FPGA引脚为：名称引脚名称引脚K158D1-198K257D1-299K356D1-3100K455D1-4101K554D1-5102K653D1-6103K750D1
40、-7104K849D1-8105沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 一、实验目的及要求：一、实验目的及要求：1、学习设计和使用、学习设计和使用NIOS II PIO进行定时器操作进行定时器操作的基本流程；的基本流程；2、完成一个具备定时器的简单的、完成一个具备定时器的简单的NIOS II CPU设设计，实现利用定时器控制一个计，实现利用定时器控制一个LED的定时亮灭的定时亮灭（如（如1秒钟亮灭一次）。秒钟亮灭一次）。沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 二、实验环境及器材：二、实验环境及器材：1、微机（已安装授权的
41、、微机（已安装授权的QUARTUS II 7.1、SOPC BUILDER、NIOS II IDE）2、EDA/SOPC实验开发系统实验开发系统 3、USB Blaster下载线一根下载线一根实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 三、背景知识及操作流程：三、背景知识及操作流程：定时器是一般CPU的必配资源，NIOS II是通过用户自行设计定时器组建实现该功能的，本实验设计一个具有定时器的CPU，通过对该定时器的编程控制一个LED每1秒钟亮灭一次，具体的操作过程如下：（1）启动QUARTUS软件，并建立一个工程，不妨命名为TIME
42、R；（2）启动SOPC BUILDER设计CPU，为本设计加入NIOS II Processor、1K字节的片上ROM、1K字节的片上RAM、JTAG-UART和1位的输出PIO，注意将ROM和RAM的基地址更改为0 x00002000和0 x00004000，结果如图4-1所示；实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图4-1 为CPU添加NIOS II Processor、片上ROM、片上RAM、TAG-UART和PIO实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（3）为
43、CPU添加TIMER组件，双击左侧IP列表中的Interval Timer组件，配置页如图4-2，选择定时时间为1秒，其他的选项不作修改，点击Finish，窗口中显示已添加了一个名为timer的组件，将其更名为TIMER1S。请注意这时SOPC可能会报错，原因是TIMER和JTAG-UART使用了相同的中断号，可将TIMER的中断号改为1解决该问题。实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图4-2 TIMER选项图4-3 设计完成的CPU实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系
44、统设计（5）至此，CPU设计完成，如图4-3所示，点击Generate生成CPU；（6）返回QUARTUS软件，创建一个新的BDF文件，加入刚刚设计的CPU，该CPU有3个I/O接口，一个是时钟，一个是复位，一个是输出IO，为该CPU配置3个PIN，请注意添加PIN的方向，添加完成后将PIN分别更名为CLOCK、RESET、LED，结果如图4-4所示；图4-4 本设计的顶层图实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（7）保存该BDF文件，文件名为TIMER，然后进行编译；（8）进行引脚锁定，它们对应的引脚号如下表：名称引脚名称引脚C
45、LOCK28D1-198RESET240实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（9）再次编译系统，若出现警告可不理会，系统将生成timer.sof文件；（10）将SOF文件下载到FPGA，这时，实验箱上的FPGA已经成为一块NIOS II CPU；（11）启动NIOS II IDE，创建一个NIOS II C/C+Application工程，不妨命名为TIEMER，指定存储路径，选刚刚设计好的CPU为目标营建，选Hello World Small为工程模板，这些设置如图4-5所示；实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验
46、 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计图4-5 新建的NIOS II 工程设置实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计（12）将程序更改为如下代码：）将程序更改为如下代码：#include system.h#include altera_avalon_pio_regs.h#include altera_avalon_timer_regs.h#include alt_types.h#include sys/alt_stdio.h#include stdio.hvolatile alt_u8 state;static vo
47、id TIMER1S_INT(void*context,alt_u32 interrupt)IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_STATUS(TIMER1S_BASE,0);IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE,state);state=1-state;int main()alt_irq_register(TIMER1S_IRQ,NULL,TIMER1S_INT);IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_CONTROL(TIMER1S_BASE,7);state=1;while(1)return 0;实验四实验四 SOPC实验实验定时
48、器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 四、实验总结四、实验总结 通过本实验学生应掌握利用通过本实验学生应掌握利用NIOS II 定时器定时器设计的基本流程，掌握定时器中断软件编程的基设计的基本流程，掌握定时器中断软件编程的基本知识和技巧。定时器编程是一般中断编程的范本知识和技巧。定时器编程是一般中断编程的范例，因此本实验程序是进行更一般的中断程序设例，因此本实验程序是进行更一般的中断程序设计的基础。计的基础。实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验 沈阳理工大学沈阳理工大学 电子系统设计电子系统设计 五、思考题五、思考题 设计一个设计一个8个个LED的流水灯，使的流水灯，使8个个LED循环依次亮灭，循环依次亮灭，要求利用要求利用NIOS II 定时定时器完成，器完成，8个个LED对应对应的的FPGA引脚如下：引脚如下：名称引脚D1-198D1-299D1-3100D1-4101D1-5102D1-6103D1-7104D1-8105实验四实验四 SOPC实验实验定时器实验定时器实验
