SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程

第1章 概述1
1.1 SOPC及其技術(shù)1
1.1.1 基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)1
1.1.2 基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)1
1.1.3 基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng)2
1.2 Nios II軟核處理器3
1.2.1 Nios II軟核處理器簡介3
1.2.2 可配置嵌入式軟核處理器的優(yōu)勢5
1.3 Altera支持SOPC的FPGA簡介9
1.3.1 Cyclone系列9
1.3.2 Cyclone II系列11
1.3.3 Stratix系列12
1.3.4 Stratix II系列14
第2章 SOPC開發(fā)流程及開發(fā)平臺簡介16
2.1 SOPC開發(fā)流程16
2.1.1 硬件開發(fā)18
2.1.2 軟件開發(fā)18
2.1.3 SOPC基本開發(fā)流程簡介19
2.2 簡單SOPC實(shí)例開發(fā)任務(wù)及步驟21
2.3 分析系統(tǒng)需求22
2.4 使用Quartus II建立工程23
2.4.1 打開Quartus II軟件并建立工程23
2.4.2 建立頂層模塊26
2.5 使用SOPC Builder創(chuàng)建Nios II系統(tǒng)27
2.5.1 SOPC Builder簡介27
2.5.2 啟動SOPC Builder29
2.5.3 指定目標(biāo)FPGA和時鐘設(shè)置31
2.5.4 添加Nios II處理器內(nèi)核31
2.5.5 添加片內(nèi)存儲器33
2.5.6 添加PIO35
2.5.7 添加系統(tǒng)ID外設(shè)35
2.5.8 指定基地址和中斷請求優(yōu)先級36
2.5.9 設(shè)置Nios II復(fù)位和異常地址36
2.5.10 生成Nios II系統(tǒng)37
2.6 集成Nios II系統(tǒng)到Quartus II工程39
2.6.1 添加Nios II系統(tǒng)模塊到Quartus II頂層模塊39
2.6.2 添加引腳和其他基本單元40
2.6.3 選擇器件型號41
2.6.4 分配FPGA引腳42
2.6.5 器件和引腳的其他設(shè)置43
2.7 設(shè)置編譯選項(xiàng)并編譯硬件系統(tǒng)44
2.7.1 設(shè)置編譯選項(xiàng)44
2.7.2 編譯硬件系統(tǒng)44
2.7.3 查看編譯報告44
2.8 下載硬件設(shè)計到目標(biāo)FPGA46
2.9 使用Nios II IDE建立用戶程序47
2.9.1 創(chuàng)建一個新的C/C++應(yīng)用工程47
2.9.2 設(shè)置C/C++應(yīng)用工程系統(tǒng)屬性52
2.9.3 編譯連接工程53
2.10 調(diào)試/運(yùn)行程序53
2.10.1 在目標(biāo)硬件上運(yùn)行程序54
2.10.2 在目標(biāo)板上調(diào)試程序54
第3章 Nios II 體系結(jié)構(gòu)57
3.1 Nios II處理器結(jié)構(gòu)57
3.2 Nios II的寄存器文件58
3.2.1 Nios II的通用寄存器58
3.2.2 Nios II的控制寄存器60
3.3 算術(shù)邏輯單元（ALU）61
3.3.1 未實(shí)現(xiàn)的指令61
3.3.2 用戶指令61
3.3.3 浮點(diǎn)指令61
3.4 復(fù)位信號62
3.5 Nios II處理器運(yùn)行模式62
3.6 異常和中斷控制器63
3.6.1 異常控制器63
3.6.2 中斷控制器63
3.7 Nios II的異常處理64
3.7.1 異常類型64
3.7.2 異常硬件處理流程64
3.7.3 異常判別及優(yōu)先級64
3.7.4 異常的嵌套65
3.7.5 異常返回66
3.7.6 異常響應(yīng)時間66
3.8 存儲器及I/O結(jié)構(gòu)66
3.8.1 指令與數(shù)據(jù)總線67
3.8.2 高速緩存68
3.8.3 緊耦合存儲器69
3.8.4 地址映射70
3.9 存儲器和外設(shè)訪問70
3.9.1 尋址方式70
3.9.2 高速緩存訪問71
3.10 Nios II處理器性能71
第4章 Nios II外圍設(shè)備73
4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核73
4.1.1 PIO寄存器描述73
4.1.2 PIO內(nèi)核配置選項(xiàng)75
4.1.3 軟件編程77
4.2 SDRAM控制器內(nèi)核77
4.2.1 SDRAM控制器內(nèi)核概述77
4.2.2 SDRAM內(nèi)核配置選項(xiàng)79
4.2.3 軟件編程81
4.2.4 SDRAM應(yīng)用81
4.3 CFI控制器內(nèi)核82
4.3.1 CFI 控制器內(nèi)核綜述83
4.3.2 CFI控制器內(nèi)核設(shè)置83
4.3.3 軟件編程85
4.4 EPCS控制器內(nèi)核85
4.4.1 EPCS控制器內(nèi)核綜述85
4.4.2 軟件編程86
4.5 定時器內(nèi)核87
4.5.1 定時器內(nèi)核綜述87
4.5.2 定時器寄存器描述88
4.5.3 定時器內(nèi)核配置選項(xiàng)90
4.5.4 軟件編程92
4.6 UART內(nèi)核93
4.6.1 UART內(nèi)核綜述93
4.6.2 UART內(nèi)核的寄存器描述95
4.6.3 UART內(nèi)核配置選項(xiàng)99
4.6.4 軟件編程101
4.7 JTAG_UART內(nèi)核104
4.7.1 JTAG_UART的寄存器描述105
4.7.2 JTAG_UART內(nèi)核配置選項(xiàng)106
4.7.3 軟件編程108
4.8 SPI內(nèi)核110
4.8.1 SPI內(nèi)核綜述110
4.8.2 SPI內(nèi)核的寄存器描述112
4.8.3 SPI內(nèi)核配置選項(xiàng)115
4.8.4 軟件編程117
4.9 DMA內(nèi)核118
4.9.1 DMA控制器內(nèi)核綜述118
4.9.2 DMA寄存器描述119
4.9.3 DMA控制器配置選項(xiàng)122
4.9.4 軟件編程123
4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核125
4.10.1 互斥內(nèi)核描述125
4.10.2 互斥內(nèi)核配置選項(xiàng)126
4.10.3 軟件編程126
4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核129
4.11.1 郵箱內(nèi)核描述129
4.11.2 郵箱內(nèi)核配置選項(xiàng)129
4.11.3 軟件編程130
4.12 System ID內(nèi)核132
4.12.1 System ID寄存器描述133
4.12.2 軟件編程133
第5章 FPGA配置和Flash編程134
5.1 FPGA配置134
5.1.1 FPGA配置方式134
5.1.2 FPGA配置過程136
5.2 Cyclone及Cyclone II FPGA配置138
5.2.1 主動串行配置140
5.2.2 主動串行配置（AS）的配置時間估算143
5.2.3 JTAG配置143
5.3 配置芯片145
5.4 配置的軟件設(shè)置146
5.4.1 配置方式及配置芯片選擇146
5.4.2 復(fù)用配置引腳處理147
5.5 配置文件148
5.5.1 配置文件的格式148
5.5.2 配置文件設(shè)置和轉(zhuǎn)換149
5.5.3 配置文件的壓縮150
5.6 配置可靠性及電路設(shè)計注意事項(xiàng)152
5.6.1 配置的可靠性152
5.6.2 電路設(shè)計注意事項(xiàng)153
5.7 下載配置文件到FPGA153
5.8 下載配置文件到EPCS155
5.8.1 AS接口的EPCS直接編程155
5.8.2 JTAG接口的EPCS間接編程157
5.8.3 SOF文件轉(zhuǎn)換為JIC文件158
5.8.4 JIC文件轉(zhuǎn)換為JAM文件161
5.8.5 JIC和JAM文件的內(nèi)容163
5.8.6 使用JIC文件和Quartus II Programmer對EPCS編程163
5.8.7 使用JAM文件和Quartus II Programmer對EPCS編程163
5.9 IDE Flash Programmer介紹164
5.9.1 IDE Flash Programmer編程工作過程165
5.9.2 Flash編程設(shè)計165
5.9.3 目標(biāo)板Flash編程設(shè)計165
5.9.4 Flash編程內(nèi)容的類型166
5.9.5 Flash文件166
5.10 用戶程序引導(dǎo)167
5.10.1 從CFI Flash引導(dǎo)167
5.10.2 從串行配置器件EPCS引導(dǎo)167
5.10.3 引導(dǎo)復(fù)制程序168
5.10.4 用戶程序ELF文件連接設(shè)置169
5.10.5 用戶程序引導(dǎo)小結(jié)171
5.11 使用IDE Flash Programmer編程172
5.12 創(chuàng)建目標(biāo)板Flash編程設(shè)計176
第6章 Nios II應(yīng)用程序及其外設(shè)HAL驅(qū)動開發(fā)184
6.1 Nios II IDE簡介184
6.2 設(shè)置工程系統(tǒng)庫屬性和編譯選項(xiàng)186
6.2.1 C/C++ Build設(shè)置187
6.2.2 C/C++ Indexer設(shè)置188
6.2.3 System Library設(shè)置188
6.3 調(diào)試/運(yùn)行程序190
6.3.1 調(diào)試器目標(biāo)連接設(shè)置191
6.3.2 調(diào)試器設(shè)置192
6.3.3 運(yùn)行程序194
6.4 下載程序到Flash194
6.5 硬件抽象層（HAL）系統(tǒng)庫194
6.5.1 HAL的構(gòu)成195
6.5.2 HAL的通用設(shè)備模型196
6.6 使用HAL開發(fā)應(yīng)用程序197
6.6.1 Nios II IDE工程結(jié)構(gòu)197
6.6.2 與目標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)的system.h系統(tǒng)描述文件198
6.6.3 數(shù)據(jù)寬度及HAL類型定義200
6.6.4 HAL對系統(tǒng)啟動的支持200
6.6.5 HAL與異常處理201
6.6.6 提高處理性能的措施203
6.7 設(shè)備驅(qū)動概述204
6.7.1 設(shè)備的寄存器抽象205
6.7.2 處理器外圍設(shè)備的分類205
6.7.3 標(biāo)準(zhǔn)I/O訪問方法206
6.7.4 標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)到具體驅(qū)動程序的映射206
6.7.5 驅(qū)動程序與設(shè)備交互的方法——輪詢和中斷208
6.7.6 調(diào)用設(shè)備驅(qū)動的方式208
6.8 開發(fā)HAL下的設(shè)備驅(qū)動209
6.8.1 創(chuàng)建一個描述設(shè)備寄存器的頭文件209
6.8.2 為各類設(shè)備創(chuàng)建驅(qū)動程序210
6.8.3 把設(shè)備驅(qū)動集成到HAL中218
6.9 μC/OSII221
6.9.1 μC/OSII簡介222
6.9.2 設(shè)備驅(qū)動的線程安全222
6.9.3 Newlib C標(biāo)準(zhǔn)庫的線程安全223
6.9.4 HAL系統(tǒng)時鐘與μC/OSII系統(tǒng)時鐘224
6.9.5 μC/OSII代碼編譯和初始化225
6.9.6 使用Nios II IDE開發(fā)μC/OSII應(yīng)用程序225
6.9.7 μC/OSII基本常識230
6.10 Nios II C語言至硬件加速編譯器(C2H)簡介231
第7章 Avalon接口規(guī)范233
7.1 Avalon總線簡介233
7.2 術(shù)語和概念235
7.2.1 Avalon交換結(jié)構(gòu)235
7.2.2 Avalon外設(shè)237
7.2.3 Avalon信號238
7.2.4 Avalon端口238
7.2.5 主從端口對239
7.2.6 傳輸239
7.2.7 周期239
7.2.8 PTF文件與SOPC Builder239
7.3 Avalon信號240
7.3.1 信號命名規(guī)則241
7.3.2 信號類型的完全列表241
7.3.3 信號極性244
7.3.4 信號序列和時序244
7.3.5 傳輸屬性245
7.4 從端口傳輸246
7.4.1 從端口基本信號246
7.4.2 從端口基本讀傳輸247
7.4.3 帶傳輸屬性的從端口讀傳輸248
7.4.4 從端口基本寫傳輸252
7.4.5 帶傳輸屬性的從端口寫傳輸252
7.5 主端口傳輸255
7.5.1 主端口信號256
7.5.2 主端口基本讀傳輸257
7.5.3 主端口基本寫傳輸258
7.5.4 主端口傳輸?shù)牡却芷?、建立時間及保持時間屬性259
7.5.5 主端口傳輸?shù)牧魉€、突發(fā)及三態(tài)屬性260
7.6 流水線傳輸屬性260
7.6.1 具有固定延遲的從端口流水線讀傳輸260
7.6.2 具有可變延遲的從端口流水線讀傳輸261
7.6.3 主端口流水線讀傳輸263
7.7 流控制屬性264
7.7.1 具有流控制的從端口傳輸265
7.7.2 具有流控制的主端口傳輸267
7.8 三態(tài)傳輸屬性269
7.8.1 三態(tài)從端口傳輸270
7.8.2 三態(tài)主端口傳輸276
7.9 突發(fā)傳輸屬性277
7.9.1 主端口突發(fā)傳輸277
7.9.2 從端口突發(fā)傳輸280
7.10 非傳輸相關(guān)的信號283
7.10.1 中斷請求信號283
7.10.2 復(fù)位控制信號285
7.11 地址對齊286
7.11.1 靜態(tài)地址對齊286
7.11.2 動態(tài)地址對齊287
7.11.3 為Avalon端口選擇地址對齊參數(shù)288
7.11.4 不同地址對齊方式的連線及編程操作289
第8章 Nios II系統(tǒng)深入設(shè)計291
8.1 定制基于Avalon的用戶外設(shè)291
8.1.1 定制用戶外設(shè)簡介291
8.1.2 PWM設(shè)計說明293
8.1.3 將PWM設(shè)計封裝為SOPC Builder元件296
8.1.4 使用并驗(yàn)證新創(chuàng)建的PWM元件300
8.1.5 手工修改創(chuàng)建的元件302
8.2 定制Nios II用戶指令302
8.2.1 Nios II定制指令綜述303
8.2.2 定制指令實(shí)現(xiàn)方式307
8.2.3 定制指令設(shè)計示例308
8.2.4 定制指令的使用方法312
第9章 Nios II匯編程序設(shè)計及混合語言程序開發(fā)317
9.1 歷史回顧317
9.2 Nios II的指令集318
9.2.1 數(shù)據(jù)傳輸指令318
9.2.2 寄存器間數(shù)據(jù)拷貝指令319
9.2.3 算術(shù)邏輯運(yùn)算指令319
9.2.4 比較指令320
9.2.5 移位指令321
9.2.6 跳轉(zhuǎn)、分支和子程序調(diào)用指令321
9.2.7 斷點(diǎn)及異常指令322
9.2.8 用戶指令322
9.2.9 未實(shí)現(xiàn)的指令323
9.2.10 空操作323
9.3 Nios II匯編程序設(shè)計323
9.3.1 利用Nios II匯編語言實(shí)現(xiàn)“Hello World！”323
9.3.2 在C語言中內(nèi)嵌匯編334
9.4 使用混合語言進(jìn)行程序開發(fā)341
附錄1 SmartSOPC多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺344
附錄2 LA系列高性能邏輯分析儀349
參考文獻(xiàn)354