支持RT-Thread操作系統(tǒng)的NIOS II CPU系統(tǒng)搭建過程詳解

實(shí)驗(yàn)說明

本節(jié)說明了如何基于在Qsys中搭建支持RT-Thread操作系統(tǒng)的基本NIOS II處理器系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建2個LED閃爍的靜態(tài)線程的示例。RT-Thread操作系統(tǒng)版本：3.0軟件版本：Quartus II 13.0開發(fā)環(huán)境：Windows7 64位旗艦版硬件平臺：小梅哥AC620 FPGA開發(fā)板嵌入式處理器：NIOS II

操作步驟

搭建支持RT-Thread操作系統(tǒng)的NIOS II CPU系統(tǒng)

在Qsys中搭建能夠支持RT-Thread操作系統(tǒng)的NIOS II 處理器系統(tǒng)，除了必要的NIOS II處理器、RAM存儲器（片上RAM、SRAM、SDRAM、DDR2）、FLASH存儲器（EPCS）外，為了支持RT-Thread操作系統(tǒng)的運(yùn)行，還需要添加UART串口外設(shè)、定時器外設(shè)、以及為了使系統(tǒng)能夠工作在較高的頻率，而添加PLL鎖相環(huán)。同時，為了能夠驅(qū)動LED燈，還需要根據(jù)實(shí)際硬件情況添加一定位寬的輸出型PIO以驅(qū)動LED燈。本系統(tǒng)主要包含以下外設(shè)：

PLL 時鐘管理單元，輸出2路相位相差90°的時鐘，一路提供給系統(tǒng)內(nèi)所有邏輯使用，一路輸出到SDRAM芯片的clk管腳上。（相位為-90°）

NIOS II 處理器 ，選擇f（快速）版本，其他默認(rèn)。

SDRAM控制器，16位數(shù)據(jù)位寬，12位行地址，9位列地址，用作NIOS II的數(shù)據(jù)和指令存儲器

EPCS控制器，用以掉電存儲FPGA和NIOS II的軟硬件固件信息

UART（RS232）控制器，用作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備，默認(rèn)115200波特率

Timer定時器，設(shè)置默認(rèn)10毫秒定時器，并可通過軟件修改寄存器以修改定時時間。

PIO，僅輸出型PIO，4位，對應(yīng)開發(fā)板上4個LED燈

下圖為搭建好的最小NIOS II應(yīng)用系統(tǒng)

其中需要注意的是，驅(qū)動LED的PIO為4位，并直接命名為了led，uart串口被命名為了RS232，這是為了與RT-Thread官方提供的NIOS II的BSP文件中相關(guān)代碼相對應(yīng)。

NIOS II CPU相關(guān)設(shè)置

定時器參數(shù)設(shè)置

UART控制器相關(guān)設(shè)置

LED PIO相關(guān)設(shè)置

在Quartus II工程中例化CPU系統(tǒng)

設(shè)計頂層文件

將Qsys中搭建的系統(tǒng)命名為mysystem，然后generate得到HDL文件，在Quartus II軟件中添加mysystem.qsys文件，新建Verilog文件，完善頂層例化信息，完善后的代碼如下所示：

module ac620_ghrd( input wire reset_n, input wire clk, output wire [11:0] sdram_addr, output wire [1:0] sdram_ba, output wire sdram_cas_n, output wire sdram_cke, output wire sdram_clk, output wire sdram_cs_n, inout wire [15:0] sdram_dq, output wire [1:0] sdram_dqm, output wire sdram_ras_n, output wire sdram_we_n, output wire [3:0] led, input wire uart_rxd, output wire uart_txd, output wire epcs_dclk, output wire epcs_sce, output wire epcs_sdo, input wire epcs_data0 ); mysystem u0 ( .clk_in_reset_reset_n (reset_n), .clk_in_clk (clk), .sdram_addr (sdram_addr), .sdram_ba (sdram_ba), .sdram_cas_n (sdram_cas_n), .sdram_cke (sdram_cke), .sdram_cs_n (sdram_cs_n), .sdram_dq (sdram_dq), .sdram_dqm (sdram_dqm), .sdram_ras_n (sdram_ras_n), .sdram_we_n (sdram_we_n), .led_export (led), .uart_rxd (uart_rxd), .uart_txd (uart_txd), .sdram_cko_clk (sdram_clk), .epcs_dclk (epcs_dclk), .epcs_sce (epcs_sce), .epcs_sdo (epcs_sdo), .epcs_data0 (epcs_data0), .altpll_0_phasedone_conduit_export (), .altpll_0_locked_conduit_export (), .altpll_0_areset_conduit_export () ); endmodule

設(shè)置EPCS管腳功能

根據(jù)AC620 FPGA開發(fā)板引腳分配表或者開發(fā)板背面的絲印對用到的引腳功能一一分配正確的管腳。注意設(shè)置所有的IO電平為3.3LVTTL，以防止無法正確驅(qū)動SDRAM存儲器。另外由于使用到了EPCS，因此需要在Quartus中設(shè)置其功能為regular IO，如下圖所示：

添加SDC約束文件

在做基于NIOS II的SOPC開發(fā)時，務(wù)必要添加SDC約束文件，對系統(tǒng)的時鐘進(jìn)行約束，以保證Quartus II軟件能夠按照運(yùn)行的頻率要求對系統(tǒng)進(jìn)行布局布線，否則，在沒有加約束的情況下，整個系統(tǒng)可能最高運(yùn)行頻率比50MHz還要低，就會出現(xiàn)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，軟件無法下載等各種故障。本實(shí)例中約束文件比較簡單，大家只需要將下述內(nèi)容新建一個sdc文件保存起來并添加到Quartus II工程中即可：

set_time_format -unit ns -decimal_places 3 create_clock -name {clk} -period 20.000 -waveform { 0.000 10.000 } [get_ports {clk}] derive_pll_clocks

添加完成后編譯整個工程，得到sof文件。

創(chuàng)建NIOS II應(yīng)用工程模版

打開Quartus II集成的NIOS II軟件開發(fā)工具（基于Eclipse），然后切換工作空間到Quartus II工程目錄下。

然后新建一個空白模版工程和bsp工程，如下所示。注意，sopcinfo文件路徑一定不能錯。

移植RT-Thread操作系統(tǒng)

下載RT-Thread操作系統(tǒng)源碼

從git上下載RT-Thread操作系統(tǒng)的源文件，源碼地址：https://github.com/RT-Thread/rt-thread選擇master分支，點(diǎn)擊Clone or download按鈕，選擇Download zip來下載源文件，當(dāng)然也可以從我們提供的本實(shí)例的壓縮包中得到該文件。

下載完成之后的文件名為：rt-thread-master.zip

移植RT-Thread操作系統(tǒng)源碼

在RTT_Test工程下新建一個文件夾，命名為”rt-thread”，添加src文件夾，include文件夾到rt-thread文件夾下，然后添加libcpu下nios部分內(nèi)容到rt-thread文件夾下。注意，libcpu下提供了對各種體系架構(gòu)的cpu的支持，我們這里只需要nios部分即可，其他部分不需要添加到工程中。上述就完成了RT-Thread操作系統(tǒng)源碼的添加。但是此時還并不完整，我們還需要添加對NIOS II CPU的bsp文件，該文件在bsp路徑下的nios ii路徑下，我們拷貝該路徑下的所有.c和.h文件到工程中，注意，application.c是整個系統(tǒng)的應(yīng)用部分，也就是main函數(shù)所在文件，因此將該文件從rt-thread文件夾中移出到軟件工程的根目錄（拖動即可），添加完成后的工程如下所示（具體可以參考我們提供的實(shí)例工程文件）。

設(shè)置頭文件搜索路徑

添加完所有的文件之后，我們還必須要在軟件的設(shè)置中添加頭文件搜索路徑，選中RTT_test工程，鼠標(biāo)右擊選擇Properties選項(xiàng)，在彈出的對話框中選中Nios II Application Paths選項(xiàng)，添加include和bsp文件夾道頭文件路徑中，然后確認(rèn)關(guān)閉。如果彈出下述相對路徑轉(zhuǎn)換提示，選擇Yes即可。

至此，所有的運(yùn)行RT-Thread操作系統(tǒng)的要求都已經(jīng)滿足了。

關(guān)閉FINSH支持功能

接下來，我們打開工程的rt-thread -> bsp -> rtconfig.h文件，定位到第80行左右，將#define RT_USING_FINSH這句話前面加上單行注釋符“//”，以屏蔽該定義，即不使用FINSH功能。

運(yùn)行RT-Thread操作系統(tǒng)

編譯運(yùn)行程序

然后對整個工程進(jìn)行全編譯(快捷鍵為Ctrl + B)，編譯無誤，就會得到可下載到NIOS II CPU中運(yùn)行的elf文件，然后在菜單欄中依次點(diǎn)擊RUN -> Run Configurations選項(xiàng)，打開下載運(yùn)行頁面。

新建一個硬件運(yùn)行配置并選擇RTT_test工程，然后切換到Target Connection選項(xiàng)卡，刷新連接以確認(rèn)硬件USB Blaster已經(jīng)找到CPU。注意，在此操作之前需要先將Quartus II軟件編譯生成的sof文件下載到開發(fā)板中，并使用Micro USB數(shù)據(jù)線連接開發(fā)板和電腦，并打開串口調(diào)試工具，以找到開發(fā)板對應(yīng)串口，設(shè)置波特率115200，ASCII接收。

勾選忽略system id和時間戳選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊Run。即可開始軟件程序的下載。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下載完成后，即可在串口調(diào)試助手上看到系統(tǒng)運(yùn)行時打印的信息，同時，開發(fā)板上4個LED燈循環(huán)閃爍。