《嵌入式设计技术的工程方法》第3章(续2)定制用户外设课件

1、第五节 定制 Nios II Avalon用户外设利用SOPC Builder的组件编辑器，可创建和编辑用户的Avalon外设。一个Avalon外设（组件）的典型构成：硬件描述文件（HDL模块）软件文件（定义组件寄存器映像的C语言头文件以及相应的驱动程序）组件描述文件（class.ptf）：由组件编辑器自动生成，定义组件的结构，为SOPC Builder提供系统集成时所需要的信息。第1页，共37页。例：设计一个Avalon从外设，实现PWM功能。总体设计 周期寄存器 count 占空比寄存器 dutyAvalon从端口减1计数器PWM输出控制OUT总线时钟地址片选Avalon从信号数据复位写计

2、数值duty时，输出out为1；计数值duty时，输出out为0。第2页，共37页。Verilog HDL描述第3页，共37页。Quartus II仿真验证注意：实际计数周期=count+1占空比如何计算？第4页，共37页。在SOPC Builder中添加用户IP在已建立的SOPC设计中，添加用户IP。双击进入SOPC Builder第5页，共37页。已建立的SOPC系统结构由此进入用户逻辑编辑器第6页，共37页。第7页，共37页。第8页，共37页。第9页，共37页。第10页，共37页。若需要，在此添加HAL有关文件。例如：寄存器映射头文件，驱动程序，demo例程等。第11页，共37页。第12

3、页，共37页。第13页，共37页。第14页，共37页。第15页，共37页。第16页，共37页。第17页，共37页。第18页，共37页。第19页，共37页。基于Avalon的用户逻辑（从设备）硬件结构Avalon接口Avalon从信号状态寄存器控制寄存器数据寄存器1数据寄存器2其他寄存器任务逻辑与应用相关的接口信号第20页，共37页。基于Avalon用户逻辑（从设备）的相关软件设计文件（文件夹）名描述/pwm_hw该文件夹包含硬件描述文件 my_pwm.vpwm的Verilog HDL代码/pwm_sw该文件夹包含软件接口的C文件 /inc定义底层硬件的C语言头文件 avalon_slave_m

4、y_pwm_regs.h /HAL包含Nios处理器的HAL驱动文件 /inc包含HAL驱动文件的C头文件 altera_avalon_my_pwm_routines.h声明访问硬件的函数原型 /src包含HAL驱动文件的源代码 altera_avalon_my_pwm_routines.c定义访问硬件的函数 /test_software包含软、硬件测试例程 hello_altera_avalon_my_pwm.c测试程序第21页，共37页。请同学总结开发Avalon用户从设备（用户IP）的基本步骤参考1Nios II嵌入式软核SOPC设计原理及应用 P445参考2SOPC嵌入式系统基础教程

5、P291第22页，共37页。第六节 Nios II 软件开发一、Nios II IDE为软件开发提供四个主要功能：工程管理器新工程向导软件工程模板软件组件引导建立C/C+应用程序工程和系统库工程软件代码实例HAL系统库、轻量级IP TCP/IP库、uC/OS实时操作系统（RTOS）、Altera压缩文件系统。编辑器和编译器文本编辑器（成熟、全功能）C/C+编译器（GCC）自动生成基于用户特定系统配置（SOPC Builder生成的PTF文件）的makefile。它自动映射Nios II IDE中的任何改变。第23页，共37页。调试器通过JTAG调试模块与目标硬件相连。基本调试功能运行控制、调用

6、堆栈查看、软件断点、反汇编代 码查看、调试信息查看、指令集仿真器。高级调试功能硬件断点调试ROM或闪存中的代码、数据触发、 指令跟踪。闪存编程器烧写CFI接口的闪存器件烧写主动串行配置器件EPCS第24页，共37页。二、硬件抽象层（HAL）系统库当用户在Nios II IDE中创建一个新的软件工程时，根据与之绑定的Nios II硬件系统（PTF文件），自动生成HAL库。即：Nios II IDE和SOPC Builder紧密相关。硬件配置变化PTF文件自动变化HAL库自动变化。HAL提供了相关设备的驱动程序，用户只要利用HAL提供的各种函数就可以编写应用程序。HAL应用程序接口（API）与 A

7、NSI C 标准库综合在一起，可使用printf()、fopen()、fwrite()等类似C语言的库函数来访问硬件设备。第25页，共37页。用户应用程序C标准库HAL API设备驱动设备驱动设备驱动Nios 处理器系统硬件HAL 系统库的结构HAL系统库的服务与标准的C函数库集成；提供对每一个设备的驱动；提供一致的、标准的应用程序接口；系统初始化；设备初始化。_exit()open()close()opendir()closedir()read()fstat() readdir()getpid()rewinddir()gettimeofday()sdrk()ioctl()settimeofd

8、ay()isatty()stat()kill()usleep()lseek()wait()write()第26页，共37页。用户程序访问硬件设备的方法：（1）调用C标准库函数；例如：printf()和fwrite()（2）调用HAL的API函数； （3）调用设备驱动程序；（4）直接访问设备寄存器。例如：write()、usleep()例如：alt_avalon_uart_write()例如：IOWR_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(base,data)第27页，共37页。HAL为嵌入式系统中最常见外围设备提供了通用的设备模型，它们具有相同的、与硬件细节无关的应用编程接口（A

9、PI）。通用设备类型对应Altera Nios II系统字符型设备UART核、JTAG核、LCD16207显示控制器文件子系统只读文档系统DMA设备DMA控制器核定时器设备TIMER定时器核Flash设备通用Flash接口（CFI）芯片控制器主动串行配置芯片EPCS控制器以太网设备uC/OS支持的LAN9111以太网MAC/PHY控制器第28页，共37页。数据宽度及HAL类型定义ANSI C的数据类型没有非常确切地定义数据宽度，取决于编译器的定义。HAL使用alt_types.h头文件定义了一套支持ANSI C的数据类型。类型说明alt_8有符号8位整数alt_u8无符号8位整数alt_16有

10、符号16位整数alt_u16无符号16位整数alt_32有符号32位整数alt_u32无符号32位整数HAL数据类型定义类型说明char8位short16位long32位int32位对ANSI C数据类型的支持第29页，共37页。HAL对系统启动的支持启动系统上电复位后到运行main()函数之前，初始 化硬件，构建应用程序运行环境的过程。Nios II的HAL系统库为用户提供了这段代码，如果用户采用链接器（Linker）的默认设置，则自动链入HAL提供的初始化函数，实现系统的启动和初始化过程。第30页，共37页。启动文件位于“.alterakitsnios2componentsaltera_n

11、ios2HALsrccrt0.s”程序入口标号“_reset”，功能：1. 初始化指令Cache，然后调用_start；2. 初始化数据Cache，把异常向量表装入指令Cache；3. 设置堆栈指针（SP）和全局指针（GP）寄存器；4. 把全局变量和静态变量区（_bss_start_bss_end） 清零；5. 如果没有bootloader，则把可读写数据（.rwdata）、 只读数据（.rodata）和异常向量表装入RAM中；6. 调用 alt_main()，进一步初始化。第31页，共37页。alt_main()对CPU和外设进行初始化1. 若使用操作系统，调用alt_os_init()初始

12、化OS；2. 若使用OS，则初始化访问HAL文件系统的信号量；3. 初始化中断控制器，开中断；4. 调用Nios II IDE自动创建并管理的alt_sys_init() 初始化系统设备及软件模块；5. 将标准输入/输出设备（stdin、stdout、stderr） 映射到输入/输出通道；6. 使用the_do_ctors()函数调用C+的构造器；7. 在系统关闭时调用C+解构器；8. 调用main()函数；9. 调用exit()函数，执行结束代码。第32页，共37页。HAL与异常处理当异常发生时，跳转到异常处理地址，处理器执行一段由HAL插入的代码。其中包括判断中断源和中断优先级，然后跳转到

13、用户的中断服务子程序（ISR）。即：除了ISR外，保护现场、查找中断源、恢复现场、中断返回等工作均由HAL系统库代码替用户完成。保护现场查中断源调用相应的ISR恢复现场中断返回HAL提供isr_name (void*context, int id) /*用户代码*/ 用户编写的中断服务程序第33页，共37页。为方便用户创建和维护中断服务程序，HAL系统库的alt_irq.h提供中断API函数。如何使用HAL API函数编写ISR？第一步：参照下列函数原型编写ISR viod isr_name ( void*context, alt_u32 id )函数名全局变量指针，指向传递给ISR的信息。在

14、system.h中声明的硬件中断号，例如：UART_IRQ第二步：调用下列API函数注册中断服务程序int alt_irq_register(alt_u32 id, void*context, void(*isr)(void*, alt_u32)指向ISR的函数指针第34页，共37页。中断服务程序主要处理一些高优先级、实时性强的操作，所以，ISR中不能有等待或阻塞性操作。1. 尽量保持ISR精简；2. 无关紧要的事件应在ISR之外处理；3. 尽量避免调用C库函数（ 如:printf() ）;4. 尽量避免进行浮点操作；5. 很多HAL API函数不能在ISR中调用。第35页，共37页。ISR的调试1. 在ISR中设断点。当中断发生时，处理器在断点处 停下，用户可单步调试ISR代码。但此时忽略了其 它硬件中断。2. 使用sprintf()函数，