零基礎(chǔ)學(xué)FPGA （十九） 探秘SOPC

關(guān)鍵詞： FPGA , SOPC

　　今天是來(lái)北京的第8天了，想想過(guò)的蠻快的，在這8天里呢，由于這邊正在開(kāi)SOPC的課程，自己對(duì)這方面之前只是了解過(guò)，知道有SOPC這回事，但是從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)，正好有這個(gè)機(jī)會(huì)讓我蹭了幾天的課，算是對(duì)這東西有了深入的了解吧。課程講的很快，短短4天的功夫就從入門(mén)講到了我認(rèn)為比較難懂的方面，不過(guò)還好，經(jīng)過(guò)我這幾天的消化，之前也有點(diǎn)基礎(chǔ)，理解一下還是沒(méi)什么問(wèn)題的，只不過(guò)讓我去操作一個(gè)有點(diǎn)難度的外設(shè)的話，我估計(jì)還得下點(diǎn)功夫了~
　　講SOPC的郝老師跟我住一個(gè)屋，郝老師人很不錯(cuò)，也很年輕，也是個(gè)90后，這幾天跟著郝老師學(xué)到了不少東西，不僅僅是SOPC方面的，更多還有對(duì)工程師這個(gè)行業(yè)，對(duì)這個(gè)社會(huì)的一些新的認(rèn)識(shí)。
　　由于我也是剛接觸SOPC，不能像大神們講的那么井井有條，思路嚴(yán)謹(jǐn)，我只是把我最近幾天學(xué)到的東西跟大家分享一下，也作為自己的一份筆記。再下面的幾篇文章中，我都會(huì)給大家發(fā)一些SOPC的筆記，從基本的概念，到基本硬件系統(tǒng)的搭建，一些常用IP核的應(yīng)用，像什么PIO核，UART核，USB，EPCS控制器，SDRAM控制器等，還有后面的自定義外設(shè)等，估計(jì)用四五篇文章的長(zhǎng)度來(lái)講這部分吧。
　　學(xué)這一部分知識(shí)要軟硬結(jié)合，硬件相信大家都沒(méi)問(wèn)題了，軟件呢需要用到C語(yǔ)言的知識(shí)，由于我之前很久沒(méi)用C語(yǔ)言了，如果大家對(duì)C語(yǔ)言還不是很熟的話，建議大家回去補(bǔ)一下C語(yǔ)言的課，雖然我們是搞硬件的，但是越到后面，軟硬就不分了~
　　第一篇文章我就先來(lái)說(shuō)說(shuō)我理解中的SOPC，再教大家手把手搭建一個(gè)硬件平臺(tái)，這個(gè)硬件平臺(tái)搭建好了，我們以后的軟件就全部是基于這個(gè)平臺(tái)的編程了。
　　一、我理解中的SOPC
　　SOPC呢，也就是所謂的可編程片上系統(tǒng)，通常一個(gè)系統(tǒng)所包含的，什么CPU，存儲(chǔ)器，DSP和一些IO外設(shè)等都放在FPGA的周圍，這樣大大增加的系統(tǒng)的面積從而增加了系統(tǒng)的成本，SOPC技術(shù)呢就是把CPU，DSP，定時(shí)器，IO模塊都放到FPGA里面，通過(guò)Quartus II提供的SOPC builder這個(gè)工具，在里面嵌入NIOS II處理器和一些常用的IP 核，NIOS II處理器作為主機(jī)，其他外設(shè)作為從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)AVALON MM總線進(jìn)行通信與訪問(wèn)，每一個(gè)外設(shè)都有一個(gè)地址，NIOS II處理器可以通過(guò)這條總線對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作，但是每次只能訪問(wèn)一個(gè)外設(shè)，系統(tǒng)硬件搭建好了之后，通過(guò)Quartus II對(duì)其進(jìn)行綜合，布局布線，時(shí)序約束等硬件系統(tǒng)搭建工作，然后我們用C語(yǔ)言通過(guò)NIOS II eclipse 這個(gè)工具來(lái)給我們的硬件系統(tǒng)編程，并進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，最后將我們?cè)O(shè)計(jì)好的硬件與軟件文件燒入FPGA的配置芯片或者FILASH中，通過(guò)相應(yīng)的總線來(lái)控制相應(yīng)的外設(shè)。下面是我畫(huà)的一個(gè)關(guān)系圖
　　

　　下面我們就通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)例來(lái)理解這個(gè)過(guò)程
　　二 、硬件系統(tǒng)搭建
　　

　　上面這個(gè)圖就是我們要搭建的硬件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的搭建需要用到Quartus II軟件 和它提供的SOPC builder 工具，一步步來(lái)，Quartus II建立工程就不說(shuō)了，建立工程之后，tool ——sopc builder，按照上面的框圖一個(gè)個(gè)添加我們需要的IP
　　首先我喜歡添加時(shí)鐘，即PLL，直接在左上方的搜索框里輸入PLL雙擊即可，至于PLL的配置方法我就不說(shuō)了，相信大家都已經(jīng)很熟了，由于我們的輸入時(shí)鐘是50M，我們需要的內(nèi)部時(shí)鐘主要用來(lái)控制各種IP，用50M的c0時(shí)鐘，但是我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)SDRAM，我們需要100M的c1時(shí)鐘來(lái)控制SDRAM控制器，即SDRAM接口，同樣還需要一個(gè)時(shí)鐘輸出到FPGA芯片外部來(lái)控制SDRAM芯片，我們用C2時(shí)鐘，C2時(shí)鐘跟C1時(shí)鐘同頻不同相，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，這個(gè)相位偏移我們選-75deg，頻率100M
　　

　　接著添加定時(shí)器，在搜索框輸入timer 配置定時(shí)單位，位寬，這里我們?cè)O(shè)置為1ms，32位，在硬件選項(xiàng)對(duì)話框里一般選擇 full—featured,當(dāng)然也可以手動(dòng)配置一些參數(shù)選custom
　　

　　然后我們可以配置SDRAM，即我們的內(nèi)存，SDRAM的配置參數(shù)是按照我們板子上芯片的具體參數(shù)配置的，由于系統(tǒng)提供的SDRAM芯片跟我們不匹配，所以我們用custom手動(dòng)配置
　　

　　之后可以配置EPCS控制器啊，JTAG控制器，UART，PIO，sysid等相應(yīng)IP
　　EPCS控制器是我們要控制控制片外的EPCS芯片用到的一個(gè)IP核，由于我們的CPU每次運(yùn)行起來(lái)都是從內(nèi)存，即SDRAM中讀取數(shù)據(jù)的，而我們要做的就是將FPGA的硬件配置文件和我們的軟件配置文件燒入到EPCS芯片中，這樣CPU運(yùn)行的時(shí)候就需要從EPCS芯片中將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到SDRAM中運(yùn)行，從而提高運(yùn)行速度，EPCS芯片控制器不需要配置，直接添加即可。
　　JTAG控制器是我們調(diào)試用的，包括我們將軟件代碼下載的時(shí)候，在窗口返回的一些數(shù)據(jù)就是通過(guò)JTAG口傳回的，這個(gè)IP也不需要配置，直接添加即可
　　UART控制器即串口，為我們以后做串口調(diào)試實(shí)驗(yàn)做好硬件基礎(chǔ)，這里大家可以手動(dòng)配置波特率，和相應(yīng)數(shù)據(jù)位
　　sysID說(shuō)白了就是我們這個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)號(hào)，跟身份證差不多意思，即一個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)我們可以隨便取
　　PIO外設(shè)即我們的IO口，分為輸入輸出，我們可以手動(dòng)配置他們的輸入輸出，位寬等參數(shù)，輸出沒(méi)什么說(shuō)的，說(shuō)一下輸入，輸入我們主要是按鍵輸入，我的開(kāi)發(fā)板上是4位按鍵，所以位寬設(shè)為4，由于是按鍵輸入，所以我們要檢測(cè)的是按鍵的下降沿，而且是沿中斷而不是電平中斷，這里我們需要手動(dòng)改一下。PIO外設(shè)我們可以隨便加，包括什么數(shù)碼管，蜂鳴器，鍵盤(pán)，led等
　　

　　最后我們添加CPU，即我們的NIOS II 處理器，NIOS II處理器分為三種模式，即經(jīng)濟(jì)型，穩(wěn)定型和快速型，當(dāng)然越高端的類型所占的邏輯資源就越多，我們做一些小實(shí)驗(yàn)用經(jīng)濟(jì)型或者穩(wěn)定型就夠了
　　

　　還有一點(diǎn)要注意，配置參數(shù)中的兩個(gè)選項(xiàng)，Reset Vector——復(fù)位向量
　　Exception Vector——執(zhí)行向量，我們分別選EPCS和SDRAM，即我們復(fù)位的時(shí)候，CPU從EPCS中將數(shù)據(jù)搬入SDRAM中重新執(zhí)行，不復(fù)位的過(guò)程中，CPU從SDRAM中執(zhí)行(這個(gè)地方可能理解的不對(duì)，望大神指點(diǎn))
　　全部配置完成之后，我們需要對(duì)每一個(gè)IP核改下名字，右鍵，rename改成我們習(xí)慣的名字，不改的話后面總是跟著一些后綴。其實(shí)配置完成之后，系統(tǒng)就自動(dòng)將這些模塊連接好了，我們需要做的就是改一下時(shí)鐘，讓內(nèi)部處理SDRAM控制器模塊的其他IP用PLL模塊輸出的c0時(shí)鐘，SDRAM控制器用c1時(shí)鐘
　　

　　接下來(lái)我們需要系統(tǒng)自動(dòng)分配基地址和中斷號(hào)，其實(shí)細(xì)心的朋友可能發(fā)現(xiàn)，在右面IRQ一欄下有些中斷號(hào)是重復(fù)的，所以我們要系統(tǒng)重新分配一下中斷優(yōu)先級(jí)。點(diǎn)system——Assign base address 和 Assign interrupt numbers 即可，最后點(diǎn)下面的generate生成我們的系統(tǒng)即可
　　這樣我們?cè)趕opc builder里的工作就完成了，硬件一旦生成，就不要輕易改了，剩下的事就是我們要在軟件里折騰。
　　其實(shí)還可以這么理解，我們剛剛生成的系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)集合了各種IP的模塊，我們直接拿來(lái)調(diào)用即可。打開(kāi)文件目錄下后綴名為.inst的文件，就例化了我們剛才生成的系統(tǒng)，我們?cè)趒uartus II頂層文件中調(diào)用這個(gè)系統(tǒng)，生成頂層模塊，配置好管腳，這樣我們的硬件部分才算是真的完成了
　　

　　三、軟件部分
　　硬件搞好了就要做軟件，養(yǎng)成一個(gè)好的習(xí)慣，在工程目錄中建立一個(gè)文件夾，專門(mén)放軟件部分的文件
　　做軟件，無(wú)非就是訪問(wèn)我們硬件系統(tǒng)中的寄存器，用C語(yǔ)言來(lái)控制，這里我們先簡(jiǎn)單做一個(gè)控制PIO核的小工程，通過(guò)控制PIO核來(lái)控制LED
　　軟件方面的工程建立我不想多說(shuō)，只想跟大家談一下學(xué)習(xí)方法，當(dāng)我們拿到一個(gè)外設(shè)，肯定要首先看一下他的datasheet，看他的寄存器映射圖，拿PIO這個(gè)核來(lái)說(shuō)，我們可以從網(wǎng)上下載n2cpu_nii5v3這個(gè)文件，里面詳細(xì)介紹了各種IP核的資料
　　

　　看datasheet 一般先看他的overview嘛，英文功底還是有的
　　然后我們需要看他的軟件文件software files，即控制這個(gè)IP核需要的頭文件，這里是altera_avalon_pio_regs.h
　　

　　然后就是看寄存器視圖了，寄存器視圖告訴了我們?nèi)绾尉唧w操縱這個(gè)IP以及相應(yīng)位的介紹
　　

　　例如，第一個(gè)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，可以用來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，只要我們知道這個(gè)PIO核的基址，再知道它的寄存器偏移我們就可以往數(shù)據(jù)寄存器里讀寫(xiě)數(shù)據(jù)了，至于基址是多少，我們?cè)诙x硬件系統(tǒng)的時(shí)候系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)生成，我們到時(shí)候只要調(diào)用就好了
　　再例如第二個(gè)寄存器是向量寄存器，即控制IO口的數(shù)據(jù)流方向，第三個(gè)寄存器是中斷寄存器等等
　　代碼部分我們來(lái)看一下
　　

　　首先是初始化，我們調(diào)用函數(shù)找到我們PIO核的基址，并給我們的pio口賦初值0，至于PIO核的基址在頭文件system.h中有定義
　　system .h中定義了我們硬件系統(tǒng)中所有IP的相關(guān)參數(shù)，我們可以直接拿來(lái)調(diào)用
　　

　　初始化之后呢就進(jìn)入while循環(huán)，循環(huán)移位就是我們所說(shuō)的流水燈了。由于工程比較簡(jiǎn)單，按理說(shuō)還需要調(diào)試，這里我們就不調(diào)試了，下板即可，先將我們的硬件下到板子了，即我們的SOF文件，然后再下我們的軟件，右鍵我們的工程名，run as——NIOS II hardware
　　

　　這篇文章主要是講了硬件系統(tǒng)的搭建，其實(shí)硬件系統(tǒng)一搭建起來(lái)，我們以后的工程都可以用這個(gè)硬件系統(tǒng)，其實(shí)我自己也感覺(jué)這種用文字描述的方式來(lái)教大家做確實(shí)是不好理解，有些東西也不好用文字描述，上傳的圖片也是有限的，所以我中間也省了不少的步驟，包括一些常見(jiàn)錯(cuò)誤的處理方法，工程文件的導(dǎo)入等，這些希望大家自己找資料了解，具體細(xì)節(jié)如果用文字描述起來(lái)更是繁瑣，能看視頻教學(xué)最好了。
　　下面的文章我們主要是在軟件上折騰，包括定時(shí)器中斷的使用啊，串口收發(fā)代碼的講解啊，還有自定義外設(shè)AD,DA芯片的控制啊，這些我們后續(xù)再談吧~寫(xiě)了也不少了，暫時(shí)收工吧。