基于DE2与NiosII的音频录放系统的设计论文

1、 PAGE23 / NUMPAGES23基于DE2 与Nios II的音频录放系统的设计-系统篇Summary：作为2008年的电子技术课程设计的课题，我们选择了“语音录放系统”，使用Altera的DE2开发板来构建一个基于NIOS II的嵌入式系统，实现录音以与放音的功能。主要目的是熟悉SOPC的基本概念，使用Qurtus II进行硬件编程，Nios IDE进行软件编程。现在就我们在具体实践中得到的一些经验做一些总结。目录HYPERLINK l _Toc195221157目录. 1HYPERLINK l _Toc195221158写在前面的话. 1HYPERLINK l _Toc195221

2、159初识DE2开发板. 2HYPERLINK l _Toc195221160DE2的资源. 2HYPERLINK l _Toc195221161DE2的使用. 2HYPERLINK l _Toc195221162关于DE2资料光盘的使用. 3HYPERLINK l _Toc195221163程序下载方法. 3HYPERLINK l _Toc195221164关于管脚分配. 3HYPERLINK l _Toc195221165认识Nios II 系统. 4HYPERLINK l _Toc195221166Avalon总线. 5HYPERLINK l _Toc195221167利用SPOC Bu

3、ilder 创建 Nios II 系统. 6HYPERLINK l _Toc195221168SPOC Builder 生成的文件. 12HYPERLINK l _Toc195221169基于Nios系统的顶层结构图. 14HYPERLINK l _Toc195221170为Avalon总线创建自定义组件. 15HYPERLINK l _Toc195221171用Nios IDE 和C语言编写程序. 17HYPERLINK l _Toc195221172技术总结. 20DE2 Board与 NIOS II 系统篇写在前面的话 经过一周的艰苦奋战，我们的语音录放系统终于摆脱了只用FPGA实现的困

4、境，终于上了核！真正的构建了一个基于NiosII的嵌入式软硬件开发环境。 最开始的时候，通过对例程里面的i2sound和WM8731芯片资料的学习，我们完成了“语音录放系统V1.0”，主要容是通过I2C电路将WM8731配置到特定的模式，然后按照一定的时须将WM8731的ADC输出信号存储起来，必要的时候再从存储器中读取数字信号到WM8731的DAC输出，这样就完成了录音放音的基本功能。但是诺大一个CycloneII 2C35加上DE2配置的超豪华外设，仅仅用来做这个事情显然有点大材小用，而且不便于扩展功能，这就引出了本文要说的容。初识DE2开发板DE2的资源 DE2的资源非常丰富，包括1.

5、核心的FPGA芯片-Cyclone II 2C35 F672C6，从名称可以看出，它包含有35千个LE，在Altera的芯片系列中，不算最多，但也绝对够用。Altera下载控制芯片- EPCS16以与USB-Blaste对Jtag的支持。2.存储用的芯片有： 512-KB SRAM，8-Mbyte SDRAM，4-Mbyte Flash memory3. 经典IO配置：拥有4个按钮，18个拨动开关，18个红色发光二极管，9个绿色发光二极管，8个七段数码管，16*2字符液晶显示屏，4. 超强多媒体：24位CD音质音频芯片WM8731(Mic输入+LineIn+ 标准音频输出)，视频解码芯片(支持

6、NTSC/PAL制式)，带有高速DAC视屏输出VGA模块。5.更多标准接口：通用串行总线USB控制模块以与A、B型接口，SD Card接口，IrDA红外模块， 10/100M自适应以太网络适配器，RS-232标准串口， PS/2键盘接口6.其他：50M，27M晶振各一个，支持外部时钟， 80针带保护电路的外接IO 7.此外还有：配套的光盘资料，QutuarsII6软件，NiosII 6.0IDE，例程与说明文档。DE2的使用关于DE2资料光盘的使用主要的可以参看他的用户手册，里面有关于DE2的资料的详细使用说明，板子的电路原理图，模块图，管脚图，和各个模块的Datasheet等等。可以这样来看

7、：DE2_System：Datasheet DE2板子上的各个模块的详细的官方Datasheet，来自各个芯片厂商。DE2_demonstrations 丰富的例程，里面很多适用的例子，比如SD_Music_Player.等DE2_lab_exercises DE2提供的试验容，里面有很详细的操作步骤截图。DE2_schematics DE2板子资料，包括布线，电路板的资料DE2_tutorials 例如详细的讲解SOPC Builder的使用。DE2_user_manual 用户使用指南与手册.综合的说明。Altera_Debug_Client DE2的调试工具，可以直接下载Nios处理器的

8、汇编代码，C语言代码等。DE2_control_panel DE2控制面板，直接操作DE2板子上的各个模块的工作状态。程序下载方法 第一种成为RUN模式，需要将板上RUN/PROG开关（LCD旁）拨到RUN，是用USB-Blaster直接将sof文件烧到 Cyclone FPGA芯片，这样掉电之后就没有了，重启后需要再次烧写。 第二种模式为AS模式，将RUN/PROG开关拨到PROG模式，然后在Qutuars下载模式设置为AS模式，选择pof文件下载，这样直接下载到EPCS16 Configure芯片中，每次复位，会根据EPCS16里面的容重新烧写Cyclone II芯片。关于管脚分配 当我们

9、创建一个FPGA用户系统的时候，到最后要做的工作就是下载，在下载之前必须根据芯片的型号分配管脚，这样才能将程序中特定功能的管脚与实际中的FPGA片外硬件电路一一对应。 通常的管脚分配使用的是拖拽法，然而在一个庞大的系统中，这样是非常的不现实，可以使用CSV文件分配法，方法是在Qurtus II的Assignment菜单下面的Import Assignment项中，定位到要分配的管脚文件即可（对于做Nios核必的通用管脚分配，可以参照de2_systemDE2_lab_exercisesDE2_pin_assignments.csv文件），这里有个前提，就是你的顶层文件管脚命名必须与CSV文件中

10、管脚一致。所以顶层文件如果用Verilog来写的话那将更加的方便，当然这是对于对于做Nios核而言的，你可以直接从Demo中拷贝一个顶层文件作为你的顶层。只要稍加修改即可，也可以定义自己的额外管教分配。 分配管脚的有一个方法是，直接修改工程文件夹里面的“qsf”文件，将相应的端口与芯片的预设相连即可。例如：认识Nios II 系统 现在开始写一些关于Nios的东西，初次接触Nios II，只能写一些简单初级的东西，主要是个人对它的一点认识，希望能对今后新手学习提供一定的帮助。 Nios II ，准确的说，是一个IP核，即知识产权核，使用特定的硬件描叙语言写成的一堆代码罢了，如果不将它烧到特定的

11、FPGA或者CPLD芯片中是没有任何意义的。Altera的NiosII软核，说白了就是一个CPU，部像其他处理器一样，都包括指令解码，地址译码，指令队列，中断管理，总线时须控制，DMA控制等等。NiosII还支持最多两套用户自定义指令集，者可以有用户自定义模块来实现。一个Nios系统应该至少包括一个Nios CPU，1个片上RAM（Onchip-RAM），当然还可以添加其他厂商的IP Core和自定义用户逻辑。这些模块共同使用者一块包含有大量逻辑阵列的FPGA芯片，组成片上可编程系统，也称为SOPC （System On Programmable Chip）。 这个片上系统然后与外电路连接，构

12、成一个具有特定功能的完整的用户系统。下面给出一个NiosII系统的典型模块图：Avalon总线在这里不得不提Avalon总线，Avalon总线是NiosII系统各模块之间的纽带，它部复杂，但对外部却保留着相对简单的接口，没有复杂的总线应答等等，因此我们可以很方便的使用它来连接我们的自定义模块。一个标准的用户逻辑与Avalon总线的接口并不需要包含所有的Avalon端口类型的接口，可以一般的有以下类型的信号中的部分：比如你的用户逻辑中主要负责采集数据给总线，那么你充当的角色就是数据的提供者，你至少应该给Avalon总线read，readdata，clk的接口，其中read为总线的读取请求信号，对

13、用户模块为input, readdata信号为8，16，32位数据，对用户模块而言为output，clk为总线为你提供的统一时钟信号，可以为读取你的设备提供时钟。当然总线提供的reset信号可以用作你的设备的初始化。 同理如果你是输出模块，从总线上面接收数据，那么你应该向Avalon总线提供write，writedata，clk的接口，如果你的模块即是输入又是输出，那么你应该他们都包括进去。 还有就是Avalon总线提供的信号类型的名称，一般的是高电平有效，如果是低电平有效，那么在后面会加上一个“_n”例如reset是复位类型的信号（高电平复位），那么reset_n就是低电平有效。关与Aval

14、on总线其他信号线，比如irq，readdatavalid，waitrequest， flush等等，用到的时候Google吧。利用SPOC Builder创建 Nios II 系统 Qurtus II给我们提供了一个方便的创建Nios系统的工具，即SOPC Builder，这个工具只有在新建了一个Quartus工程文件后才能使用。下面我们创建一个Qurtus工程：输入名称，定位文件位置以后，选择器件为我们使用的“Cyclone II 2C35”运行SPOC Builder，新建Nios项目，输入名称，选择Verilog作为生成文件的语言：然后就是添加Nios系统组件了：首线添加nios_cp

15、u: 双击左边的系统模块Nios II Processor ，弹出如下对话框：设置CPU类型，这里就使用最简单的一种。添加以后，你可以重新给CPU命名，名一个容易记忆的名称。然后就是选择一个最片上RAM，选择Avalon Components Memory On-Chip Memory (RAM or ROM)，双击就添加了，设置类型，选择的大小要根据开发板来定，比如我们使用的是DE2，那么最有最大Memory限制，根据情况而定。添加好了以后系统会自动将RAM与Avalon总线连上，窗口中个模块前面的曲线就是这个含义。这时一个最简单的系统就做好了。注意，此时如果点击生成“Generate”的话

16、，会报错，你还必须制定CPU的boot Address与reset Address双击cpu_0模块，在弹出的属性对话框中，选择地址为你添加的On-chip Memory即可。当然你可以添加更多模块，也可以人工修改每个模块的基地址。但要注意的是若果要加上CFI Flash Memory（Common Flash Interface）的话，必须要加上Avalon Tristate Bridge，即Avalon三态桥接器。通过Avalon Tristate Bridge来连接结Avalon master 和Avalon Slave。 如果你需要在运行的时候进行调试，你应该加上jtag_uart模块

17、。你可以为你的模块选择参数，比如，你添加了一个PIO，可以选择它是输入还是输出，或者是输入输出都有，SOPC Builder会根据你的参数产生相应的HDL文件，如图：你还可以为你加上的IO模块产生中断，比如在你自定义的模块中向Avalon总线提供irq类型的信号，那么在SOPC Builder产生系统的时候会给你定义中断号，比如你添加4Bit的PIO给4个Button的时候，可以选择是否产生中断，如图：你还可以为指定为你的模块产生仿真元数据，提供给像ModelSim这样的仿真软件仿真信息，当然Qurtus自己也能够进行波形仿真。SPOC Builder 生成的文件 SOPC Builder生成

18、的文件包括：核模块的ptf文件，.sopc_builder文件加下面的install.ptf文件，nios系统的顶层模块的HDL文件，例如：你的Nios工程名为nios,那么顶层文件名应该是nios_0.v,还包括了nios_0.v调用了各个子模块的Verilog文件。仿真文件和一些其他的其他的文件。 其中ptf文件是Nios系统的描叙文件，此文件在后面创建Nios Project时候会用到，Nios IDE通过这个文件来生成并且编译Nios Project的库文件，以便你在用户C语言程序中引用。下面来看一个ptf文件： 下面来看看它生成的另外一个文件：nios_0.v这是nios系统的核心模

19、块，但是还不是顶层模块，它有时需要外部提供PLL时钟，或者是需要将自己模块的export管脚连接到核外用户逻辑上。看一个nios_0.v:一个nios系统主模块中包括很多module，但是只有只有一个module与模块的文件名一样，这个就是主模块，它调用了很多组件的HDL模块，然后将其他组件的export引脚对外暴露，各组件与CPU的连线即Avalon总线对外封闭。这里提一下核的顶层模块（这里是nios_0.v）里面的管脚命名规则：凡是input，则为“模块端口名称”+“to”+“模块实例名称”，凡是output，则为“模块端口名称”+“from”+“模块实例名称”例如上图中的nios_0.v

20、的核中实例化了AUDIO_MOD模块，命名为the_AUDIO_MOD那么AUDIO_MOD的外部输入adcclk命名为：dacclk_to_the_AUDIO_MOD.基于Nios系统的顶层结构图 这里说明以下，这里的系统顶层图不是Nios的顶层图，而是用户创建的项目的顶层图，它调用了用SOPC Builder创建的nios系统顶层模块，除了包括系统的nios模块外，还包括一些核外用户逻辑，例如PLL时钟，I2C控制块等等。下面给出我们的音频系统的顶层结构图。 我们可以在系统的顶层图中使用用户逻辑，此时的用户逻辑是与系统总线没有关系的，他是与Nios系统没有直接关系的电路，在这儿称之为“核外

21、用户逻辑”，比如说在我们系统中的I2C对AV的配置（当然这也能够通过OpenI2C模块加到总线系统中去），核外逻辑可以用于与核无关的部分（直接连接到外部），也可以为核提供输入，或者接收输出。 在Nios总线系统部，也可以添加用户自定义逻辑，这时候成为用户自定义组件，Interface To User Logics，但是这个时候就要和Avalon总线打交道了，因此必须满足Avalon总线的规则，下面就我们的系统中使用的模块做简单介绍。为Avalon总线创建自定义组件 在假设WM8731芯片初始化到正常模式后，我们的用户逻辑只需要做两件事情：1.将WM8731的ADC输入采集转换成并行的16位数据

22、，送到Avalon总线2.从总线上读取16并行数据，经过转换，串行的送到WM8731的DAC通道上这是一个经过测试后的独立模块，用图形描述如下：和Avalon总线接口有两个FIFO，ADC FIFO对总线有（iRD, iRD_CLK, iRST_N , oDATA）其中 iRD为read类型，iRD_CLK为clk信号，iRST_N为reset_n信号，oDATA为readdataDAC FIFO对总线有（iWR, iWR_CLK, iRST_N , iDATA）其中 iRD为read类型，iWR_CLK为clk信号，iRST_N为reset_n信号，iDATA为writedata 该模块还与

23、三个PIO间接与总线相连，一个为输入控制信号，另外两个为FIFO对于总线的状态信号。模块的其余管脚均为export类型，连接到WM8731的硬件端口。 下面简要说明一下在SOPC Builder里面添加自定义组件的步骤. 打开SOPC Builder ，在左边的组件列表中选择Interface to User Logic 双击，在弹出对话框中添加已经封装好的自定义模块的Verilog文件，注意先添加顶层模块，然后添加底层被调用的模块，在添加之前首先要将这些文件拷贝到工程文件目录。 然后点击Read ports from files，然后按照刚才定义的信号类型，选择Type，最后Filished

24、。添加完成后，重新生成你的nios系统，这时ptf文件，以与nios的verilog文件都会做相应的改变。但是你的QurtusII 工程顶层文件中的核模块任然没有更新，这个需要手动更新。你需要编辑顶层的Verilog文件，在调用nios_0.v的地方加入你的模块，去掉无用的模块。按照前面所说的nios系统的管脚命名规则，可以直接根据输入或输出类型直接添加模块引脚，并且与外部电路相连，这里指的是从自定义模块中export的管脚。例如下图所示：经过上面的步骤，在原来的核的基础上，添加了自定义模块，只要编译成功，我们的核就完成了，接着就是去Nios IDE下面写C语言程序了，前提条件是你的自定义模块

25、已经测试成功。用Nios IDE 和C语言编写程序 接下来我们就可以打开Nios II IDE，新建工程了。启动Nios II IDE （实际上是Eclipse的插件），将Workspase设置为我们的QurtusII工程目录。New a Project ，选择Nios II project,如图： 点击下一步。输入工程名称，选择ptf文件，就是SOPC Builder建成后的ptf文件，定位好文件放置的目录，然后就可以下一步了。新建一个工程后，就可一写C语言程序了，新建的软件项目统称会包含一个syslib，这个C语言库就是根据ptf文件生成的特定Nios系统的库文件，里面定义了Nios系统中

26、的每一个模块的基址，中断地址，等等。通常，比如你有一个模块叫做sdram_0的模块，那么Nios II会生成相应的模块基址常量名为SDRAM_0_BASE，全部是大些字母，以表明是全局常量，比如你在核中加了一个button_pio的模块，并且要求SOPC Builder产生中断，那么这时你可以访问BUTTON_PIO_IRQ来获取中断时间，或者捕捉中断信号。说白了，在Nios里面用C语言编程实际上就是使用两个函数： IORD（MODULE_BASE , OFFSET_ADDR） /读取总线上面特定设备的值，例如读取名为sram_0的SRAM地址偏移量为0 x00001的数据（假设没有越界，数据

27、宽度为16位），那么也可以这样写：int i=0 ; i=IORD（SRAM_0_BASE，0 x00001）； IOWR（MODULE_BASE , OFFSET_ADDR，DATA） /向特定模块，特定偏移地址写入DATA数据。例如向名称为sdram_0的SDRAM地址为0 x0002ffff的地址中写入0 x55AA数据。可以这样写：IOWR（SDRAM_0_BASE，0 x0002ffff，0 x55AA）；初写程序，主要也就用到这两个函数，原因是目前只涉与到了总线设备的读和写。必要的时候，可以从Demo中拷贝一些现成的函数，例如LCD的测试函数，DM9000网卡读写等等，经过整理，工程文件加里面的函数文件越来越多，你可以编写复杂的程序了。下面是Nios II IDE的工作环境：还有一个值得注意的就是中断的设置函数，以下举按钮的中断设置为例：voidButton_Irq_Init()/* Enable all 4 button interrupts. */ set_pio_irq_mask(BUTTON_PIO_BASE, BUTTON_INT_MASK);/* Reset the edge capture register. */ set_pio_edge_cap(BUTTON_PIO_BASE