SOPC综合实验报告

1、基于SOPC的数字钟设计学 院：计控学院 班 级：计本121学 号：2012021001 姓 名：钟济强指导老师：张浩鹏一、 设计概述用Nios II DE2开发板的LCD显示电子钟的日期和时间，LCD分两行显示，第一行显示年月日，第二行显示时分秒。用输入按钮BUTTON来控制LCD行修改，通过Nios II IDE进行软件设计。二、 设计要求 1掌握Nios II系统的设计和使用方法； 2学习通过Nios II IDE进行软件设计的方法； 3实现在液晶屏上显示时间和日期，并可以对其进行设置。三、 实验环境DE2 开发板QuartusII 7.2SOPC Builder 7.2NiosII I

2、DE 7.2四、 设计方案（总体设计、软件设计、硬件设计）1. 总体设计要实现以下两个功能：(1). 在液晶屏上显示时间，日期(2). 对时间、日期能够进行设置建立新工程clock2. 硬件系统组成设计根据系统要实现的功能和开发板配置，需要用到的DE2开发板上的外围器件有：LCD：电子钟显示屏幕按钮：电子钟设置功能键CFI Flash存储器：存储软、硬件程序SDRAM存储器：程序运行时将其导入SDRAM根据所用到的外设和器件特性，在SOPC Builder中建立系统要添加的模块包括：NiosII CPU定时器，按键PIO，LCD， 外部存储器总线（Avalon三态桥），外部SDRAM控制器，外

3、部Flash接口。打开SOPC Buider，系统名称为sopc_clock加入SDRAM组件加入Flash Memory 组件加入外部存储器总线（Avalon三态桥）加入按键PIO加入LCD加入NiosII CPU定时器，选择标准型的元件添加完后，要为每个外设分配及地址和中断请求优先级(IRQ)，在System中选择Auto-Assign Base Address和Auto-Assign IRQs命令，这两个命令可分别简单分配外设基地址和中断优先级。然后生成Nios II系统。然后生成顶层文件，将Nios II系统模块加入到顶层文件中，如图所示原理图进行引脚锁定，并编译，然后进行硬件下载3软

4、件系统设计要实现系统所需的功能，大量的工作应该集中在软件设计和优化上。电子钟的软件功能主要分为显示、设置和时间算法三大部分。显示部分的功能包括：显示时间（小时：分钟：秒）和 显示日期（年-月-日）设置部分的功能包括：设置小时，设置分钟，设置年份，设置月份，设置日期和退出设置。 设置部分的程序主要用在对按键的响应。在编写程序前要对DE2开发板上的四个按键BUTTON功能进行如下分配：(1). 主菜单 BUTTON0：设置选择键，可依次选择设置时、分、秒和年、月、日BUTTON1：显示日期键BUTTON2：显示时间键(2). 子菜单（即进入对某个选项设置后的按键功能）：BUTTON1：选项数字增加

5、BUTTON2：选项数字减少BUTTON3：退出对选项的设置，返回主菜单时间算法部分的功能包括：时间累加和确定每个月的最大天数，使年、月、日能正确累加五、 软件代码1count_binary.c的代码：#include "count_binary.h"/程序每秒钟检测一次按钮的状态，对日期和时间进行设置#include "alt_types.h"#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include "system.h"#in

6、clude "sys/alt_irq.h"#include "altera_avalon_pio_regs.h"#include "lcd.h"volatile int edge_capture;void LCD_Init()/LCD初始化 lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x38); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x0C); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x01); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD

7、_BASE,0x06); usleep(2000); lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x80); usleep(2000);void LCD_Show_Text(char* Text)/LCD输出格式 int i; for(i=0;i<strlen(Text);i+) lcd_write_data(LCD_BASE,Texti); usleep(2000); void LCD_Line1()/向LCD写命令 lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x80); usleep(2000);void LCD_Line2()/向LCD写命令 lcd_write_cmd(L

8、CD_BASE,0xC0); usleep(2000);static void handle_button_interrupts(void* context,alt_u32 id) volatile int* edge_capture_ptr=(volatile int*) context; /*存储按钮的值到边沿捕获寄存器*/ *edge_capture_ptr=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE); /*复位边沿捕获寄存器*/ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE,0);/

9、*初始化button_pio*/static void init_button_pio() void* edge_capture_ptr=(void*)&edge_capture; /*开放全部4个按钮的中断*/ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(BUTTON_PIO_BASE,0xf); /*复位边沿捕获寄存器*/ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE,0x0); /*登记中断源*/ alt_irq_register(BUTTON_PIO_IRQ,edge_capture_ptr,handle_b

10、utton_interrupts);void delay(unsigned int x) while(x-);int check_month(int month) /如果是1、3、5、7、8、10、12月，则每月31天，程序返回1 if(month=1)|(month=3)|(month=5)|(month=7)|(month=8)|(month=10)|(month=12) return 1; /如果是4、6、9、11月，则每月是30天，程序返回0 if(month=4)|(month=6)|(month=9)|(month=11) return 0; /如果是2月，程序返回2，具体多少天还

11、要根据年的判断来决定 if(month=2) return 2;/*闰年的计算方法：公元纪年的年数可以被四整数，即为闰年被100整除而不能被400整除为平年；被100整除也可被400整除的为闰年如2000年时闰年，而1900年不是 */int check_year(int year) if(year%400)=0)|(year%4)=0)&&(year%100)!=0) return 1; /是闰年，返回1 else return 0; /不是闰年，返回0int main(void) int screen=0;/共有两行，一行显示年月日，一行显示时间 int pos=0;/每行

12、都有三个位置，第一行是年月日，第二行是时分秒 int year,month,day,hour,minute,second; unsigned long sum;/sum要设置为长整型变量，不然会溢出 char date16; char time16; int year1=6; int year2=0; int year3=0; int year4=2; int month1=1; int month2=0; int day1=1; int day2=0; int hour4,hour3,hour2,hour1,minute2,minute1,second2,second1; unsigned

13、int screenflag; hour=0;minute=0;second=0;year=2006;month=1;day=1; /年月日时分秒初始化init_button_pio();LCD_Init();while(1) if(pos>=3) pos=0;/共有三个位置0、1、2，超过了2要马上清0 if(screen>=2) screen=0;/共有两行0、1，超过了1要马上清0 /na_LED8->np_piodata=1<<pos;/用一个LED指示当前调整的位置 if(screen=0) screenflag=8; else screenflag=0

14、; /IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_GREEN_BASE,(1<<pos)|screenflag); usleep(1000000);/等待1秒的定时时间 if(second<59) second+; else second=0; if(minute<59) minute+; else minute=0; if(hour<23) hour+; else hour=0; if(day<30) day+; else day=1; if(month<12) month+; else month=1; if(year<9

15、999) year+; else year=2005; switch(edge_capture)/检测按钮 case 0x08:pos=pos+1;break;/改变调整位置/* 对数据进行加减操作的CASE：case 0x02和case 0x04 根据当前调整位置，判断当前屏显示的是年、月、日还是时分、秒 然后决定是对年月日进行加减还是对分时秒进行加减*/case 0x02:/对当前位置上的数据执行减操作 if(pos=0) if(screen=0) if(day>1)day-; else if(check_month(month)=0)day=30; if(check_month(m

16、onth)=1)day=31; if(check_month(month)=2) if(check_year(year)day=29; else day=28; if(screen=1) if(second>0)second-; else second=59; if(pos=1) if(screen=0) if(month>1)month-; else month=12; if(screen=1) if(minute>0)minute-; else minute=59; if(pos=2) if(screen=0) if(year>0)year-; else year=

17、2005; if(screen=1) if(hour>0)hour-; else hour=23; break;case 0x04:/对当前位置上的数据执行加操作 if(pos=0) if(screen=0) if(check_month(month)=0)if(day<30)day+;else day=1; if(check_month(month)=1)if(day<31)day+;else day=1; if(check_month(month)=2) if(check_year(year)if(day<29)day+;else day=1; else if(da

18、y<28)day+;else day=1; if(screen=1) if(second<59)second+; else second=0; if(pos=1) if(screen=0) if(month<12)month+; else month=1; if(screen=1) if(minute<59)minute+; else minute=0; if(pos=2) if(screen=0) if(year<9999)year+; else year=2005; if(screen=1) if(hour<23)hour+; else hour=0;

19、break;case 0x01:screen+;break;/换屏edge_capture=0; year4=year/1000;year3=(year-year4*1000)/100; year2=(year-year4*1000-year3*100)/10;year1=year%10; month2=month/10;month1=month%10; day2=day/10;day1=day%10; LCD_Line1(); date0=year4+0x30;date1=year3+0x30; date2=year2+0x30;date3=year1+0x30; date4=' &

20、#39;date5=' ' date6=month2+0x30;date7=month1+0x30; date8=' 'date9=' ' date10=day2+0x30;date11=day1+0x30; date12=' 'date13=' ' date14=' 'date15=' ' LCD_Show_Text(date); hour4=0;hour3=0; hour2=hour/10;hour1=hour%10; minute2=minute/10;minute1=minu

21、te%10; second2=second/10;second1=second%10; time0=' 'time1=' ' time2=hour2+0x30;time3=hour1+0x30; time4=' 'time5=' ' time6=minute2+0x30;time7=minute1+0x30; time8=' 'time9=' ' time10=second2+0x30;time11=second1+0x30; time12=' 'time13=' '

22、 time14=' 'time15=' ' LCD_Line2(); LCD_Show_Text(time);2lcd.h的代码：#ifndef _LCD_H_#define _LCD_H_/LCD Module 16*2#define lcd_write_cmd(base,data) IOWR(base,0,data)#define lcd_read_cmd(base) IORD(base,1)#define lcd_write_data(base,data) IOWR(base,2,data)#define lcd_read_data(base) IORD(

23、base,3)/-void LCD_Init();void LCD_Show_Text(char* Text);void LCD_Line2();void LCD_Test();/-#endif六、 实验分析和实验结果用输入按钮BUTTON0可以控制LCD行修改，同时让NiosII DE2开发板上的绿色发光二极管LEDG3的亮灭来表示。用输入按钮BUTTON3可以控制日期和时间的修改，BUTTON1和BUTTON2输入按钮可以减少和增加显示的数字。实验中开始时SDRAM的BIDIR端口的命名错误导致引脚锁定未成功，此端口的名称应为DRAM_DQ15.0。此外，三态桥的设置被改变了，需要重新设置

24、，回到Quartus II中，在assignments中选择settings，Device->Device and Pin Options->Unused Pins，改为As input tri-stated。七、 总结通过这12周的SOPC技术综合设计实践的学习，我学会了Quartus II，SOPC Buider和Nios II DE2 的使用，并通过这些软件可以进行简单的实验操作，强化了我的动手能力，并通过这几次实验更加了解SOPC的设计与应用。在实验中，遇到了各种各样的问题，首先是自己进行检查，查不出来再由老师同学进行检查和讲解，提高了自己解决问题的能力，并且熟悉了整个实验

25、的流程及具体的操作。我觉得这门课程很有意思，实验中是把各个部分的操作整合在一起，形成一个系统，做实验时要有整体感，一旦出现问题整体的重新进行设置和编译，比如如果添加组建时出现错误，要重新添加，重新生成模块，重新倒入模块，重新编译顶层文件，是一个整体的过程。八、 附录参考SOPC技术与应用，编著：江国强，机械工业出版社。参考SOPC技术综合设计实践实验指南，编著：邱德惠。思考题：1 何谓SOC？SOC（System On a Chip）称为片上系统，它是指将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上。SOC中可以包括微处理器CPU、数字信号处理器DSP、存储器（ROM、RAM、Flash等）、

26、总线和总线控制器、外围设备接口等，还可以包括数模混合电路（放大器、比较器、A/D和D/A转换器、锁相环等），甚至传感器、微机电和微光电单元。2 何谓SOPC？SOPC（System On a Programmable Chip）称为可编程片上系统，它是基于可编程逻辑器件（FPGA或CPLD）可重构的SOC。SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环（PLL）、存储器、I/O接口及可编程逻辑，可以灵活高效地解决SOC方案，而且设计周期短，设计成本低，一般只需要一台配有SOPC开发软件的PC和一台SOPC实验开发系统（或开发板），就可以进行SOPC的设计与开发。3 何谓IP核？IP（Intel

27、lectual Property）是知识产权的简称。集成电路IP是指经过预先设计、预先验证、符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，并具有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统，如CPU、运算器、存储器、放大器等。集成电路IP模块具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可重复用于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。4 何谓嵌入式系统，嵌入式系统的CPU核可以分为哪两种类型？嵌入式系统是指嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用软件。基于SOPC的嵌入式系统结构主要包括嵌

28、入式微处理器（CPU核）、定时器（Timer）、嵌入式锁相环（PLL）、嵌入式数字信号处理器（DSP）及其他IP模块等部分。嵌入式系统的CPU核可以分为硬核和软核。5 简述CPU软核的特点。软核通常以可综合的HDL提供，因此具有较高的灵活性，并与具体的实现工艺无关，其主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性。由于软核是以源代码的形式提供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知识产权保护问题不容忽视。6 简述HAL的用途及基于HAL的外围设备的编程方法。HAL作为支持Nios II处理器系统的软件包，为用户的嵌入式系统上的外围设备提供了与之相匹配的接口程序。用户不用自己建立或复制HAL文件，也不需要

29、编辑HAL中的任何源代码，使用时只需要在C/C+源程序中指明代表这些接口程序的库函数包含的头文件即可。在一个基于Nios II的SOPC系统上，外围设备包括通用异步串口UART、发光二极管LED、七段数码管、按钮、LCD、存储器、定时器、鼠标、VGA等。在应用软件的开发中，对于按钮、发光二极管LED、七段数码管等通用输入输出设备的编程比较简单，而对于通用异步串口UART、LCD、VGA等字符模式外围设备的编程就比较复杂。为了方便用户对字符模式外围设备的编程，HAL支持标准输入、标准输出和标准错误函数，允许在程序中调用stdio.h中的I/O函数来完成对这些设备的访问，也支持字符模式外围设备的通用访问。7 简述SOPC的设计流程。SOPC硬件开发流程a) 创建Quartus II工程b) 创建Nios II系统模块c) 配置Nios II系统d) 将Nios II系统模块、LPM和用户自定义模块连接起来e) 编译、引脚分配、编程下载SOPC软件开发流程Nios II