《嵌入式设计技术的工程方法》第3章(续2)定制用户外设

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。,例：设计一个Avalon从外设，实现PWM功能。,总体设计,计数值duty时，输出out为1； 计数值duty时，输出out为0。,Verilog HDL描述,Quartus II仿真验证,注意：实际计数

2、周期=count+1,占空比如何计算？,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,已建立的SOPC系统结构,由此进入用户逻辑编辑器,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。,基于Avalon的用户逻辑（从设备）硬件结构,基于Avalon用户逻辑（从设备）的相关软件设计,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 P291,第六节 Nios II 软件开发,一、Nio

3、s II IDE为软件开发提供四个主要功能：,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,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。,H

4、AL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 ANSI 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。,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()sd

5、rk() ioctl()settimeofday() isatty()stat() kill()usleep() lseek()wait() write(),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),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

6、硬件细节无关的应用编程接口（API）。,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。,HAL数据类型定义,对ANSI C数据类型的支持,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。,启动文件位于“.alterakitsnios2compone

7、ntsaltera_nios2HALsrccrt0.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。,alt_main()对CPU和外设进行初始化,1. 若使用操作系统，调用alt_o

8、s_init()初始化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。,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

9、断优先级，然后跳转到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。,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 (

10、alt_u32 id, void*context, void(*isr)(void*, alt_u32),指向ISR的函数指针,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。,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，把关键数据写到内存，然后 触发外部分析程序。,三、与目标系统相关的system.h文件,第一次编译Nio