原创 NIOS那些事儿_(网络连载，作者avic)

我们可以看
到，CLOCK是对应PIN_23，我们再来看原理图

我们可以看
到，下面的原理图中20MHz晶振X1接的就是FPGA的23脚

这回大家知
道是怎么回事了吧，我将会提供给大家写好的TCL文件，到时候大家根据我给大家的TCL文件，将相应的管脚命名即可。下面我就将其他的管脚重命名，这是个
繁琐的工作，很无趣。修改好以后，我们来看如何执行TCL脚本文件，按下
图所示操作

点击以后，
出现下图，我们选择第一个（前提是你将kingst.tcl放到工程文件下）

选中后点击
Run，如下所示，又看见Successfully了吧，这说明我们脚本文件运行成功了。

配置工程

   
先保存一下吧，保存好以后，接下来，我们要对工程配置一下了，在左侧边框栏右键点击SOPC_T，如下图所示

点击
setting后，如下图所示，点击红圈处Device and Pin Options

点击后，如
下图所示

点击后如下
图所示，点击红圈处Configuration

点击后，如
下图所示，将红圈处改为EPCS1，然后点击Dual-Purpose Pins

点击后，如
下图所示，将红圈处改为Use as regular I/O

都修改好以
后，点击确定，点击OK。接下来就开始了又一个漫长的编译过程了，大家又可以休息一会了。点击下图所示红圈处的按钮，开始编译。

经过了漫长
的编译过程，如果没有问题，编译成功后将出现下面的对话框

   
点击确定，编译过程全部结束。我们可以通过编译报告来看看我们用了多少资源，如下图所示，红圈处可以看出，我们这个系统，用了66%的TLE。

   
最后，我们需要检查一下，是否每个引脚都已经分配好了，以免有个别没有分配的，影响后面的实验。回到SOPC_T.bdf，看一看是不是每个引脚都有个小
“尾巴”，如下图所示

有的，说明
这个引脚已经分配好了，仔细检查好每一个引脚，如果没有问题，就可以把程序下载到硬件里面了。

下载程序

   
编译好以后的程序会生成两种格式的文件*.sof和*.pof,*.sof文件是给通过JTAG模式下载到FPGA内部的，掉电丢失。*.pof文件是通
过AS模式下载到EPCS1中的，掉电不会丢失。说到这，简单介绍一下AS模式和JTAG模式。Cyclone系列的FPGA使用SRAM单元来存储配置数据。SRAM是易失性的，每次上电之前，
配置数据必须重新下载到FPGA中。Cyclone FPGA的配置方式包括：主动配置模式（AS），被动配置模式（PS）以及JTAG配置模式。我的黑金板上配置了AS和JTAG两种模式，我们通过AS口可以将程序下载到EPCS1中，如下图
操作方式，点击红圈处的图标

   
点击后，进入下图所示界面，红圈1是模式选择，红圈2是下载器的选择，红圈3加入相应的文件。如果你通过JTAG口下载程序，就要将下载线接到JTAG
口，选择JTAG模式，将*.sof文件加入到这里面。如果你通过AS口下载程序，你就要将下载线接到AS口，选择AS模式，将*.pof文件加入到这
里，大家自己试试吧。最后点击Start，开始下载。现在市面上的下载线以USB-BLASTER为主，价格各有不同，贵的有200多的，便宜的50多块
钱，我觉得可以用就行，贵的未必好，自己的看法啊，大家自行选择吧。

   
到这里，我们有关硬件开发的部分就高一段落了，如果对以上内容有问题，请大家留言，我将尽快给大家解决。

   
下一节，我将给你讲解NIOS II软件开发部分内容，敬请关注……

NIOS II开发的整个流程---软件开发（二）

这一节，我将给大家讲解NIOS
II软件开发部分，这一部分是以第一节硬件开发部分为基础的，如果大家是从这一节开始看的，那我们就先回顾一下上一节我们所讲的内容。

回顾

    上一节，我们详细讲解了NIOS
II硬件开发部分的全过程，其中包括了工程的建立，NIOS II软核的构建，以及锁相环PLL倍频和如何下载等等。其中NIOS
II软核的构建是重点内容，我们在软核中构建了CPU，SDRAM，AVALON三态桥，FLASH，SYSTEM ID,JTAG UART
6个模块，时钟我们设计为100MHz，FLASH为8位模式。这一节我们就在其基础上详细讲解软件开发的全过程。

摘要

   
首先，我先给大家简单介绍一下这一节的重要内容，这一节将详细讲述NIOS II的软件开发的整个流程，并简单介绍NIOS II 9.0
IDE的一些简单的使用方法，会让那些从来没有用过NIOS II IDE软件的人可以很轻松的上手使用。

NIOS II IDE简介

    NIOS II IDE是一个基于Eclipse
IDE构架的集成开发环境，它包括了很多的功能，学过JAVA的人对其应该非常的熟悉，它的功能是非常之强大，下面我们就简单介绍一下NIOS II
IDE的功能和特点：

• GNU开发工具。熟悉Linux操作系统的人对它一定不陌生，它是一种开源
  的编译环境，包括标准的GCC编译器，连接器，汇编器以及makefile工具等。说到这大家可能头都大了，这些都是啥东西啊，如果你是一个Linux的
  忠实粉丝，这些你必须非常的清楚，但在NIOS
  II开发过程中你只要知道这些就OK了，没必要刨根问底的弄清楚它们，不过我在这里强烈推荐大家学习学习linux方面的东西，你一旦接触上了它，你就会
  发现它的魅力是太大了，里面的好东西让你一辈子都受益，呵呵，话说多了，我们继续我们的NIOS II。
• 基于GDB的调试工具，包括仿真和硬件调试。这个东西也是在Linux平台
  下流行的调试工具，所以说Linux很强大吧。 集成了一个硬件抽象层HAL(Hardware Abstraction Layer)；
• 支持MicroChip/OS II 和 LwTCP/IP协议栈。
• 支持Flash下载（Flash Programmer 和
  Quartus II Programmer）。

    理论的就说这么多了，下面我们来点实际的。

建立软件工程

    首先，将NIOS II 9.0 IDE软件打开，打开后NIOS
II
IDE的界面赫然显现在我们面前，界面很简单，跟其他的IDE没什么太大的区别，我们需要做的就是首先建立一个软件工程，操作方式如下图所
示，File->New->Project

点击后，会出现工程向导界面，如下图所示，选中红圈处的内容，Nios II
C/C++ Application，

点击Next，会出现下图所示内容，红圈1处是工程名，我将其修改为
hello_world，红圈2处是目标硬件文件，点击Browse，找到我们上一节生成的NIOS软核的位置，这个文件是以.ptf为后缀的，如果大家
跟我的地址一样的话，地址应该是在E:\nios\KERNEL.ptf。在红圈3处选中Hello
World，这个地方是工程模版。再说说红圈4，这个地方是改变工程所放位置的，如果不修改，软件工程的位置就在Quartus工程目录下的
software下面。

点击Next，这里不用修改，点击Finish，完成工程向导。

完成了上面的工程向导后，我们正式进入NIOS II
IDE的界面了，如下图所示，我主要介绍三个部分，其他部分用处不大。我按功能将这三部分命名为代码区，工程目录区，和观察区（这几个名字很山寨吧，哥追
求的就是通俗易懂，呵呵）

不用我多说，代码区就是显示代码的，工程目录区呢，显示所有与工程有关系的文
件，跟我们有关系有.c和.h文件，还有一个非常非常之重要的system.h文件。观察区中有两个栏我们是会经常用到的，一个是Console，一个是
Problems。第一个是编译信息显示区，一个是错误警告显示区。有了JTAG
UART后，第一个Console（控制台）栏多了一个用途，就是作为标准输出（stdout）的终端，这里不多了，一会我们就会用到。

   
我们接下来的工作就是需要对工程配置一下，大家跟我来吧。在工程目录区中的hello_world项单击鼠标右键后，点击红圈处的位置system
library Properties

点击后，可看到下图所示界面，

按顺序来，红圈1处是标准输入（stdin）、标准输出(stdout)、标
准错误(stderr)的设置区，我们在软核中构建了JTAG UART，在此出现效果了吧，如果我们没有构建JTAG
UART，那么，这个地方就不会出现jtag_uart选项了。在所红圈2处，这个地方也不需要修改，不过有一个地方需要注意，就是Support
C++，这个库相对Small C library要大，如果大家手中的板子没有FLASH，SDRAM这样大容量存储设备的话，选择Small C
library，用FPGA内部的SRAM，也可以跑些小程序。再说红圈3处，这个是一些有关内存的选项，我们构建了SDRAM模块，这个地方也用到了，
默认就可以，不用修改。该说红圈4了，点击红圈4后，出现下面界面，这个是对编译器就行配置的界面，大家可以自己观察一下，大部分都不需要修改，我们来看
一下比较重要的地方，点击红圈处。

点击后，我们看看是什么样子，这里有两个关键点，一个是红圈1处，这个地方时
配置编译器的优化级别，红圈2的地方是调试级别。编译器的优化级别会让你的生成的代码更小，当要求也很高，你的代码如果不严谨，有可能优化以后不好用了，
大家要注意。调试级别是你在编译过程中显示编译内容多少，级别越高显示内容的越多，建议将调试级别调到最高。

将上面设置好以后，点击Apply，然后点击OK，回到主页面。

   
接下来我们就要开始编译了，第一次的编译时间比较长，因为编译过程中会生成一个我们之前所说的一个非常非常重要的文件system.h，这个文件是根据我
们构建的NIOS
II软核产生的，也就是说，system.h的内容与软核的模块一一对应。一旦软核发生变化，就需要重新编译，重新产生system.h文件。现在就开始
编译，如下图所示，在工程目录栏中单击右键后，点击红圈处Build Project，或者直接按快捷键Ctrl + b。

   
开始编译后，会出现下面的界面，进度条走的很慢吧，如果不想看它，点击Run in
Background，编译就在后台进行了。在编译构成中，大家可以观察观察栏中Console栏的内容，其中出现的内容就是编译器正在编译的东西，大家
不妨好好看看编译过程都编译和生成了哪些东西。

编译好以后，大家可以看到下面界面，红圈处说明了，编译完成。

大家可以对比一下，编译前和编译后工程目录栏有哪些变化。

看来编译的成果还是很显著的，其他的我们没必要知道，关键的一个大家要知道，
就是我们反复提到的system.h文件。下面我们就把它揪出来，它隐藏的还是很深的。

看到了吧，它在hello_world_syslib/Debug
/system_description/system.h，现在我们就看看里面有什么东西这么重要。

双击以后，在代码区大家就可以看到了，都是一些宏定义，我们找一个典型的作为
例子，我给大家讲解一下，看下面的截图

   
在这些信息中，对我们有用的是JTAG_UART_BASE，还有JTAG_UART_IRQ，JTAG_UART_BASE是JTAG_UART的基地
址，JTAG_UART_IRQ是中断号，其他的是一些配置信息，我们先不关注。同理，SDRAM、FLASH等都有相应的基地址，我们以后就要用到这些
地址对NIOS软核进行寄存器操作，达到我们要实现的跟单片机一样的寄存器操作方式，在此我们就不详细讲述了，后面我们会单独讲解这一节。看了这个例子以
后，大家在看看其他的，都大同小异，没有中断的就不会出现*_IRQ这一项，不信大家自己看。NIOS强大之处就在于此，根据大家的需求进行对软核的构
建，然后产生相应的寄存器，整个构建都由设计者来掌控，缺什么建什么，不行的话还可以自己写底层的模块，你说强不强大。

system.h文件我们以后还会提到，暂时先讲到这，接下来我们要看看我们
编译好的程序是不是跟我们想想的一样。对于NIOS
IDE提供了几种方法来验证，一种是直接硬件在线仿真，一种是软件仿真。我们先说第一种硬件在线仿真，很显然这种方式需要硬件配合，一块开发板，一个仿真
器（仿真器就是大家用的USB-BLASTER或者BYTE-BLASTER）。将仿真器与开发板的JTAG口相连（假设你的仿真器驱动已经装好了，如果
有不知道怎么装仿真器驱动的请跟我联系）。安装好以后，我们进行下面的操作，点击红圈处Nios II Hardware。

点击后，可以看观察栏的控制台（Console），如果一切正常，我们将看到
下面的结果出现。

看到了么？如果没看到，再好好检查一下，你的操作是否跟我说的一样，如果自己
无法解决，请联系我，我将手把手帮你解决。

说完第一种硬件在线仿真以后，我们再说说软件仿真。软件仿真不需要硬件，电脑
单独运行即可，按下图所示操作，点击红圈处，Nios II Insruction Set Simulator。

点击后，还是看观察栏的控制台（Console），结果一样吧。我不建议大家
用软件仿真，因为软件仿真在不涉及到硬件的情况下还好，如果有相关硬件操作了，效果就没有了。

    到此为止，我们的NIOS
II软件开发部分就结束了，如果想熟练掌握NIOS II
IDE，还要大家自己亲手去试试，光靠我的讲解是不行的，大家没事的时候可以研究一下它的每一个选项，都有什么功能，这样才能加深你对它的熟悉程度，更好
的去掌握它，用好它。在此再多说一句，我不建议大家经常更新软件，对于Quartus和NIOS软件的升级，无非就是解决一些BUG，多支持一些器件，编
译的速度快了一点。在你还没有遇到非常严重的BUG之前，最好不要去更新它。更新以后带来的后果就是需要重新熟悉它的特性。NIOS II IDE
9.1和9.0之间变化就很大，使用起来就不是那么顺手。建议大家不要轻易去更改。

   
好了，这一节的内容就到此结束吧，下一节我将给大家讲解“如何让NIOS II的开发像单片机一样简单，看透NIOS
II系统的寄存器操作方式”。这一节内容是我教程中的核心部分，希望大家耐心等待，拜拜了！

一、 规范参照标准

良好的代码风格及编程规范，是书写优良代码的基础，也是工程师必备的技能。本规范遵循C语言的创始人B.W.Kernighan和
D.M.Ritchit （简称 K & R）所著的《The C Programming Language》一书的示例，并参照 Linux
内核代码风格。

本规范适用于有一定c语言基础的读者，对于需要入门的，建议熟读几遍《The C Programming
Language》。另外本规范部分内容仅适用于基于单片机、arm等嵌入式处理器的固件开发。

二、 格式

1. 缩进

函数体、if、for、while、switch case、do
while等都需要使用缩进。不管你用任何编辑器或者是集成开发环境，缩进均是基于“Tab”键的，而不是基于“空格”键。一般来说，我采用 8
个字符的缩进长度。例如：

2. 空格及空行

空格和空行的出现，是以增强程序的可读性为目的。但是不要插入过多（两个以上）的空格和空行。函数开始局部变量声明后需加一个空行，函数内逻辑相对
独立的部分，需加一个空行。文件结尾需加一个空行。

代码中加入空格是以程序逻辑清晰为目的。c关键字后需加空格，例如：

3. 大括号

函数的大括号位于函数体的第二行与末行，if、while、switch、do的大括号位于关键字所在行的行尾和逻辑末行，末行的大括号与关键字上
下对齐。例如：

三、 元素及命名规则

1. 文件

C语言源文件主要包括 .c文件和 .h 文件。文件命名要以体现其意义的名词为主，例如芯片 max525的驱动程序，我们可以命名为
max525.c；实现fat32协议的驱动，我们可以命名为 fat32.c；忌出现
a.c、newfile.c、my.c、wang.c等无意义文件名。

文件名用小写字母、下划线、数字的组合命名，不可出现空格等其他字符，更不允许出现汉字、日语、俄语等非 ascii码的字符。

每个 .c文件都要对应有一个 .h 文件来配合其对外资源声明。 .h 文件内可包含宏定义、类型定义、对外资源（全局变量、全局函数）声明。
.c 文件可以包含变量声明、函数原型、函数体。为了防止重复调用，.h文件的逻辑开头需要加入开关控制，例如：

2. 宏、枚举体

宏、枚举体均需用大写字母、数字及下划线的组合，宏与常量之间用“tab”隔离，同一类含义的宏定义在一起，并放于相关的头文件中。宏定义以能表达
清楚含义为标准，除专业术语外，推荐用完整单词表示宏含义。不同含义的宏定义需用空行分割，部分需加注释。例如：

3. 自定义类型

我们可以用c关键字 typedef 进行自定义c语言中的数据类型。类型定义一般包括结构体、联合体类型定义及函数类型定义。ANSI
C包含的数据类型（如unsigned char、unsigned short int、double 等），不建议重定义。

结构体、联合体类型定义推荐大写字母加 _T 的形式出现，例如：

4. 函数声明及实体

函数命名采用谓宾结构，中间用下划线隔开，函数必须使用小写、数字及下划线的组合。不管函数原型声明还是函数体，必须包含完整的函数类型及参数类型
（包括 void型亦不能省略）。文件的内部函数（不需要外部调用），需要在函数类型前加static 关键字。

函数原型声明时，需用注释的方式，添加函数调用参数的意义，例如：

大部分函数需返回函数执行状态，定义 0 为正常执行， -1为一般错误，-1 ~
-999为自定义错误。自定义错误可以通过宏或者变量实现。例如：

从逻辑功能划分的角度来讲，函数需要简、短、精，函数实现的逻辑内容要跟函数名要一一对应，不要超过函数名表达的范围，也不要只实现函数名所表达的
部分功能。一般情况，尽量调用系统库来实现功能而不是自己去实现。

5. 变量及初始化

变量一律用小写字母、数字及下划线实现，全局变量要体现变量的意义，需用单词的全写；
由于局部变量作用的范围，一般都在视野范围你，所以可以用简写及单个字母，如 i、a等。

全局变量尽量越少越好，并且需根据属性划分，以结构体形式体现为主。整个工程的全局变量需在头文件中用 extern
关键字对外声明，隶属于文件的全局变量（不属于整个工程的全局变量），需加 static 关键字修饰。

变量使用前必须初始化，初始化可以采用静态初始化和函数执行时初始化。结构体的初始化建议采用 c99 规范里的指定初始化。例如：

数组维数最好用宏定义，数组用时必须初始化（赋值或者清零），对数组维数判断时，需用sizeof 关键字，切忌直接用数字。

使用指针时，切忌指针越界及野指针的出现；指针也是个变量，用它之前也必须初始化。对CPU外设进行直接映射或者是中断内变量使用时，变量前需加
volatile 以防系统优化。

6. 注释

注释不宜过少，但也不宜过多。以表达清楚程序员的意图为最终目的，注释尽量不要用中文。函数体内注释，推荐采用 “//” 的注释方式。

每个文件头，均需加一个说明性的注释。例如：

每个函数体的开始，均需加一个说明性的注释。例如：

四、 项目管理

1. 项目文件夹

每个C工程中，可以以功能为依据对源文件进行文件夹分类。文件夹不可以出现空格、除英文字母、数字、下划线外的字符；更不允许出现汉字、俄语等非
ASCII码字符。例如某个工程可以划分为如下文件夹：

2. 功能划分

功能划分应以逻辑清晰、层次关系明显为目的。一旦划分好后，不可越级调用系统资源（例如只有driver内文件内直接操作硬件资源，其他文件夹代码
均不可调用最底层硬件资源）。也不要互相调用而使系统资源很快耗尽。

3. 文件管理

文件一旦建立，就需在文件头说明文件目的、版权及历史记录，每次修改后必须记录。工程完工或者是间歇性搁置时，需要对所有工程文件夹、文件进行只读
属性设置及当前状态记录（进行到什么状态、存在什么bug等）。对源代码最好做到每天一备份，以防意外篡改及丢失，以备恢复之用。

五、 一些建议

1. 代码编辑器

有很多优秀的代码编辑器可供大家选择，例如
Vim、Emacs、Souce-Insight、Edit-Plus等。每个人可以根据自己的喜好，选择一种编辑器，切忌滥用。

2. PC 端编译器及集成开发环境

GCC (GNU Compiler Collection)
是一个非常优秀的编译器套装。他几乎在所有的操作系统下均有移植，并且有很多CPU的交叉编译器可供我们使用，例如
SDCC、arm-elf-gcc等。MS-Windows下推荐使用 Mingw32移植版，相应的集成开发环境推荐 Dev-cpp 和
Code：：block。

3. 参考资源及网站

《The C Programming Language》 c语言圣经；

《Advanced Programming in the UNIX Environment》 UNIX C 程序员圣经；

http://www.gnu.org GNU Operating
System

http://www.sf.net Source Forge

http://www.kernel.net The Linux
Kernel Archives

六、 示例代码

1. c文件

2. 头文件

     
做过单片机试验的人一定对LED实验记忆犹新，因为它是硬件试验部分的第一课，通过这个简单的实验，可以让你对单片机的操作有一个感官上的了解，可以说意
义不同寻常。这一节，我也通过LED实验来带大家进入NIOS II的开发世界，感受NIOS的魅力所在，下面我们开始吧。

构建PIO模块

第一步，我们要在软核中加入PIO模块。打开我们第一节建的Quartus工程，然后双击KERNEL，如下图红圈所示

点击后进入了SOPC BUILDER界面，如下图所示

点击下图所示红圈处PIO(Parallel I/O)

点击后，如下图所示，红圈1处是你需要的PIO口的宽度，即你需要几个IO口，这里面我设置为4，即我要控制4个LED，红圈2是选择输出方式，我
选择为输出（Output）。

接下来，点击Finish，完成PIO模块的构建，然后将其改名为PIO_LED,如下图所示

接下来，需要自动分配一下地址，第一节我们已经讲过，如下图所示

接下来，我们就要开始编译了，点击Generate，需要保存一下，点击save，开始编译。

经过一段耐心的等待，编译成功，如下图所示

完成了上面的工作，点击Exit，会出现下面的界面，询问是否需要对KERNEL进行更新，点击“是(Y)”。

然后，会出现下面界面，点击OK

点击后，会出现下面情况，连线错位，这就需要我们手工来整理一下，将相应的管脚相连接。

整理还以后，如下图所示，可以看出，还有PIO_LED没有管脚相连，我们来建立一个输出管脚,并重命名

最后的样子大家可以看到，如下图所示，我们将将其命名为LED[3..0]，这是quartus中总线的命名方式，大家要注意。

一切准备好了，我们需要给他进行引脚分配，按下图所示

点击Tcl scripts,如下图所示，选中kingst.tcl，点击Run，完成管脚分配。

下面，我们开始编译了，又是一次漫长的等待后，看到了下图红圈所示，说明编译成功。

我们再来看看我们占用了多少资源，如下图所示，还是66%，说明一个PIO模块占用资源很少的。

到此为止，我们在软核中添加PIO模块已经完成，接下来，我们进行的就是在NIOS II IDE中开发软件部分。

软件编程

      首先打开NIOS II 9.0
IDE，打开后，第一件事就是重新编译整个工程，按快捷键Ctrl+b。又一次漫长的等待之后，我们打开system.h文件，大家能看到有什么变化么，
可能有人发现了，system.h文件对比之前的多了下面内容，这部分内容就是我们在软核中新构建的PIO_LED模块，我们将要用到的是
PIO_LED_BASE，它是PIO_LED所有寄存器的首地址。

      下面，我们就来运用这个首地址来进行编程，完成对4个LED的控制。

第一步，我需要建立一个放置头文件的文件夹，我将其命名为inc，方法如下图所示，鼠标在hello_world上点击右键，然后点击New中的
Source Folder，这样就建立了一个文件夹，

然后会出现下图，在红圈处输入inc，点击Finish，完成文件夹建立。

大家可以看出，在左边工程目录栏中多出了一个inc文件夹，如下图所示

接下来，我要在inc中建立一个头文件，方法如下图所示，在inc上点击右键，然后点击New中的Header File，红圈处所示

点击以后，出现下图，在红圈处输入sopc.h，点击Finish，完成头文件的构建。

完成上面的工作以后，代码栏处，可以看到下图，现在我们就对其进行编辑

修改后的代码如下图所示，

大家可能看到上面的代码不明白什么意思，这很正常，第一次接触NIOS的人不是很了解这个东西，我现在就给大家详细的讲解一下。

首先我们看红圈2处的结构体，在这里，我们定义了一个结构体，将其命名为PIO_STR，这个结构体的结构是有说法的，它是根据芯片手册来写的。我
现在给大家截个图，这个图来自《n2cpu_Embedded Peripherals.pdf》，版本是下图所示

其中9-5页和9-6也中有这么一个表格，如下图所示

这个表格就是PIO
Core寄存器映射，我的结构体就是根据它来写的，名字不重要，重要的是它的顺序，也就是偏移量（offset）。第一项是数据data，第二项是IO口
方向，第三项是中断控制位，第四项是边沿控制位。他们每一项都有n位，这个n就是我们在软核构建中的宽度（width），如下图所示的红框1，我们之前设
置为4，那么n等于4。

接下来，我们来讲红框3中的代码，这部分代码中你一定记得PIO_LED_BASE，对，这就是我之前在system.h中特意强调
的，PIO_LED的基地址。那我红圈3中的代码意图就很明显了，定义了一个宏，命名为LED，它是指向PIO_LED_BASE的结构体指针，这个结构
体就是PIO_STR（如果大家对结构体指针不理解，那你就得回去看C语言书了，我在这就不具体说了）。红圈1的代码也很简单，是为了控制红圈3的定义
的，这样做是为了增强代码的严谨性和可控制性。当你没有定义PIO_LED_BASE时，你就可以将红圈1中的宏定义#define
_LED去掉，不多说了，再多说就挨砖块了，呵呵。

      大家理解了sopc.h代码以后，我们就可以进行C代码编程了。忘了说了，在NIOS II
IDE中一定要记得修改以后保存，它很幼稚的，编译前不会提醒你去保存的，如果你忘记了保存，相当于你没有修改。好了，下面我们进行C代码编程了。

     
为了规范化程序，我需要对程序做一些调整，以便以后的讲解。首先建立两个文件夹，分别命名为driver，main。建好以后，如下图所示，

然后将hello_world.c名字改为main.c，并将它放到main文件夹中。改好以后，如下图所示

接下来，我们来修改main.c中的程序，我先介绍一下我这段代码的目的，这段代码就是控制我的黑金开发板的4个LED，让他们按顺序闪烁，就是大
家习惯说的流水灯。下图就是我们要控制的4个LED,当FPGA将相应的管脚置1时，LED就会亮，当置0，LED就不会亮了。

修改好的程序如下图所示，首先说红框1，有些人可能没用过这种方式，这是一种相对路径的方式调用头文件，好处就是可移植性好，不管工程放到其他什么
地方，这个头文件和c文件的相对位置都不会变，也就不需要对这个地方进行修改。再说红框2处的代码，关键是LED->DATA =
1<<i；LED大家应该记得，LED是我们在sopc.h中定义的宏，是结构体指针，那么LED->DATA是什么意思大家就应该很
清楚了，是它的结构体中DATA的内容（不是地址）。LED->DATA =
1<<i；就是对LED->DATA的四个位循环置1。所以，4个LED就会按顺序闪烁了。usleep是微妙级延时，我们在这里每次
延时0.5ms。

      讲到这里，第一个程序就讲完了，下面需要做的就是编译，下载程序到FPGA，验证是否正确，我就不详细说了。

接下来，我们总结一下这节内容。我们来对比一下寄存器操作方式与API之间有什么联系和不同，上面的程序，如果用NIOS II
IDE提供的API来写，那么如下图所示

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO是一个宏，在altera_avalon_pio_regs.h中，其定义如下

（大家可以按住ctrl键后，用鼠标点击进入定义所在的位置），大家可以看到，它是一个IOWR的宏，而IOWR的具体写法我就在此不详细说了（大
家感兴趣的可以去NIOS的源码），反正就是对硬件地址的控制。我的做法就是绕过这个大圈子，直接去控制它的寄存器。

     
大家可能可能有点纳闷，我们的机构体中定义了四个变量，但只用了DATA一个，在这说明一下原因，首先是DIRECTION。这个是IO的方向，就是说是
输入还是输出，或者是双向的。因为在我们构建PIO模块的构成中有了一个选项，如下图所示，红圈2，我们选择了输出（Output ports
only），也就是我们在底层就已经固定了它的方向，所以在软件中就不需要在定义了。还有两个变量是涉及到中断时才会用到，所以在这个程序中也没有用到。

     
这一节是以后内容的基础，希望大家好好的理解，尤其是sopc.h中定义的那个结构体，大家一定要理解清楚。以后，还会涉及到UART，SPI等，都需要
建立结构体，这个都是触类旁通，举一反三的东西，弄清楚一个，其他的都好理解了。

     
我要提醒大家一句，我虽然提倡大家用操作寄存器方式编程，但并不希望所有的程序都按这种方式来写，比如说对flash的操作，我们就可以使用API来写，
因为flash的操作相对复杂，而利用API可以很简单的几个语句就能完成，没必要自己来写。

      好了，今天我们就讲到这里，下一节我们将讲一下NIOS如何在线调试，以及调试中的一些小技巧，希望大家耐心等待……

外部中断实验（五）

简介

      这一节，我们通过来讲解一下NIOS II的硬件中断的内容，同时借助这节内容我们也要介绍NIOS II
IDE在线调试的方法和技巧。首先来点理论知识，介绍一下与硬件中断相关的内容，让大家对NIOS II 的硬件中断有一个概括性的了解。

      ISR(Interrupt Service Routine)中断服务函数是为硬件中断服务的子程序。NIOS
II处理器支持32个硬件中断，每一个使能了的硬件中断都应该有一个ISR与之对应。中断发生时，硬件中断处理器会根据检测到的有效中断级别，调用相应的
ISR为其进行中断服务。

要完成硬件中断工作，我们需要做两件事：

      第一， 注册中断函数ISR,它的函数原型如下所示：

      int alt_irq_register(alt_u32 id, void* context, void(*handler)
(void*,alt_u32));

      id：中断优先级，即所注册的ISR是为哪个中断优先级的中断服务的。中断优先级在SOPC
Builder中分配的，在第一节中我们提起过，不知道大家是否记得，我们来回忆一下，如下图所示，通过这一步我们来完成中断的自动分配

分配好的IRQ如下图所示，当然，IRQ可根据自己的特殊要求进行手工修改，只要不重复就没问题。

而在NIOS II
IDE软件中体现在system.h文件中，之前我们也提到过，如下图所示，看到了吧，JTAG_UART_IRQ为0，与上图的中断号正好相同，这可不
是巧合。我已经说过了，system.h文件是根据软核来生成的，所以JTAG_UART_IRQ等于0也是可想而知的了。

      接下来我们继续说剩下两个参数，

      context，为所注册的ISR传递参数，可以是NULL;

      handler，中断服务函数ISR的指针。

      再来说返回值，返回值是0时，表示中断注册成功；返回为负数，表明中断注册失败。

     
这里面有一个需要注册的地方，如果handler不是NULL，则该优先级中断在注册成功后将自动使能，也即是说，只要我们在handler处有相应的
ISR，我们就不需要再进行使能处理了。说完第一，我们来说说第二。

      第二，
编写ISR函数，这个函数有我们自己来写，而不是HAL系统提供的。它跟一般的函数定义没什么区别，只是对ISR的函数原型有特定的要求：

      void ISR_handler(void* context, alt_u32 id);

      context: 传给ISR的形参，可以是NULL;

      id: 中断优先级。

      OK，只要这两步我们就可以完成中断函数的处理了。废话少说，我们来点实际的吧，跟我来。

硬件开发

      下面，我们就利用一个外部按键来验证一下中断函数的处理过程。

      首先，我们要构造一个给外部按键用的PIO模块。这部分内容之前已经详细的讲过了，在此简述略过吧。

      打开Quartus II软件，然后双击KERNEL，进入SOPC
BUILDER。进入后，我们建立一个PIO模块，在建立过程中有一个地方有所不同，我们来看一下，如下图所示，红圈1处，我们输入1，因为我们只需要一
个按键（我们的黑金开发板中一共有5个按键）；红圈2处选择Input ports only，也就是作为输入。完成后，点击Next，

点击后，如下图所示，我们将红圈2（General
IRQ）处选中，其他不变。在这多说两句，这里的中断分为两种，一种是电平（Level）中断，也就是高电平/低电平中断，还有一种就是沿中断，包括上升
沿、下降沿。做过单片机的人应该都很熟悉，如果你想要实现沿中断，需要把红圈1（Synchronously
capture）处选中，下面包括3种方式，大家可以根据自己的要求选择。完成上面工作以后，点击Finish，完成PIO构建。

     
下面需要对名字需要进行修改，我将其命名为KEY，如下图红圈1处所示。大家再看一下红圈2处，大家可以发现中断号有两个0，一个是jtag_uart
的，一个是我们新建立的KEY的，这回大家明白了，为什么我们需要自动分配中断号了吧，出现了相同的中断优先级了。

接下来，我们就对中断自动分配一下。如下图所示，大家可以看到红圈2处发生变化了吧，KEY的中断级别变化了，变成了1。自动中断分配是自上由下按
顺序分配的。

完成上面的构建以后开始编译了，又需要漫长的等待了……（其实也不是很长，也就一两分钟吧，根据电脑配置而定）

     
编译好了以后，回到Quartus界面，需要进行整理，添加KEY的输入管脚，我这里就简要略过了。看一下整好要以后的样子，如下图所示，我我将其命名为
KEY[4]，这个对应的是我的黑金开发板的中间的那个按键。下图中有一个地方需要注意，由于电平中断时，NIOS只对高电平敏感，所以如果想实现低电平
敏感需要加一个非门，

非门的加入方式跟加入input管脚是一样的，双击空白处出现下图，然后在红圈处输入not，点击OK即可。

然后，分配引脚，编译，又是等待……

编译好以后，咱们再来看看用了多少资源，如下图所示，还是66%，

咱们进行对以一下，在上一节我们占用资源如下图所示

对比以后发现，PIO模块占用资源是相当的少。

      编译好以后，大家可以选择是通过AS模式或JTAG模式下载都可以，不过记得JTAG模式掉电会丢失，记得上电以后重新烧写。

      硬件部分就讲完了，下面我们来讲软件编程部分的内容。

软件开发

      打开NIOS II 9.0
IDE软件，打开后，先编译一次，快捷键为CTRL+b（本人比较喜欢快捷键，方便快捷么，呵呵）。编译好以后，我们来看看system.h有什么变化。
大家可以看到，system.h中多出来了下面内容，这部分内容就是有关KEY的，其中红圈1处是基地址，红圈2处室中断号，这些都是我们在下面要用到
的，大家先有个印象。

接下来，我们就要开始写程序了，首先需要在sopc.h中添加内容，如下图所示，跟上一节的LED是一样的，在此就不做解释了。

修改好以后，我们对main.c函数进行更改，整体程序如下图所示，这个程序没有对按键进行防抖处理，只是为了展示外部中断处理的操作过程，如想作
为项目中应用必须加入按键防抖处理，在此不具体说明。这个函数通过外部按键来产生中断，因为我们设置的是低电平产生中断，所以当按键按下时，就会产生了一
个低电平，这时就会进入中断函数。在中断函数中，我们对key_flag进行取反。而在主函数中，我们不断地进行查询，当key_flag为1
时，LED->DATA置1，也就是让外部发光二极管亮；当key_flag为0时，LED->DATA置0，这时，发光二极管不亮。

      接下来我们具体讲解一下每一个函数。

     
首先编译一个初始化程序，如下图所示，一共有两条语句，我们先说红圈1处的语句，这个语句的目的是，使能中断位，上一节我已经讲过了，PIO模块对应的结
构体中的INTERRUPT_MASK是中断控制寄存器的内存映射，当该位置1时，允许中断，否则，禁止中断。再说红圈2处的语句，我们前面已经见过这个
语句了，用它来完成中断的注册，KEY_IRQ来自system.h，ISR_key是ISR函数。用return返回为了在主函数中判断注册是否成功，
如果成功返回0，非0表示注册失败。

     
下面来看看ISR_key函数，如下图所示，只有一条语句，其中，key_flag是一个全局变量，这条语句的意思，没进一次中断，就将key_flag
取反。

      下面是主函数，红圈1处部分是判断初始化是否成功，如果init_key()函数返回值是0，说明注册成功，打印register
successfully!\n，可以再观察栏中看到它，否则打印Error: register
failure!\n。红圈2处是判断标志位key_flag，如果它为1，则对LED->DATA
置1，也就是让让对应的LED亮，否则LED不亮。

这个程序都很简单，有利于我们来了解中断的处理过程。

      现在借着讲中断的机会，给大家介绍一下NIOS II
IDE中如何进行在线调试（DEBUG）。如下图示，在左边框的hello_world点击右键，选择Debug As->Nios II
Hardware，或者快捷键F11（前提：已将仿真器与JTAG口相连，并且电源通电），我们就进入了DEBUG界面

     
我们来简单介绍一下DEBUG界面下的几个功能栏，代码区不用说了，显示我们的源代码，观察区包括主要用到两个，一个是控制台console，另一个是
Memory。Memory在正常模式下是不能使用的，也就是说只有在Debug模式下，我们才能通过Memory来观察内存中数值的改变。变量区主要是
用来观察变量值，它的存在有助于我们判断数值的变化是否与我们预想的一样。还有一部分使我们在调试过程中经常用的功能键。包括开始，停止，还有就是三种模
式的单步调试功能键。其他区域也有一定的功能，大家可以自己研究一下，对大家调试程序有一定的益处。

      简单介绍了一些功能以后，我们来调试一下我们的中断程序。对于调试中断程序，如何判断中断是否进入，我们有一个小的技巧，简单而有效。

      首先，我们在中断函数处设定一个断点，设置断点的方法是在你需要设置断点的地方，即红圈处，双击右键即可。

     
记下来，让程序全速跑起来，按红圈处的按钮。程序跑起来以后，按开发板上的的外部按键（中间的那个按键），如果中断没有问题，程序就会停在我们设置的中断
处，这说明，中断进入成功。这个方法即使用有简单，对调试中断这类程序很有好处。

对于如何运用单步调试之类的功能，只要玩过单片机的，都应该会的，我就不多说了。

总结

     
最后，再简单总结一下中断需要注意的地方，大家知道中断程序主要处理一些实时性比较强的操作，因此不能在中断程序中进行等待或者阻塞性的操作。所以，尽量
保持中断服务程序精简，不要在中断程序中处理复杂的处理，比如浮点型操作，printf函数等。

      这一节就到此为止，由于匆忙，内容可能会出现有问题的地方，希望大家指出，我将进行修改。

串口实验（六）

简介

这一节，我们来说说RS232，俗称串口。大家对这东西应该很了解，没什么可说的。相对前面我们讲的内容，这一节比较复杂，我会尽力把它讲清楚。在
这一节中，我不仅要给大家讲解如何去实现RS232功能，更重要的是要提出一种编程思想，如何让程序编写的更严谨，更专业，更有利于以后的维护和移植。

硬件开发

首先，我们要在NIOS II 软核中构建RS232模块。打开Quartus软件，双击进入SOPC BUILDER，然后点击下图所示红圈处，

点击后，如下图所示，红圈1处为波特率，我们设置为115200；红圈2处是是否允许通过软件改变波特率，我们选中，便是允许，这样我们就可以通过
软件来随时更改波特率，如果软件不设置，默认值就是上面设置的115200；红框3中是设置一些与串口有关的参数，校验方式，数据位，停止位，后面那个基
本不用，大家根据实际情况来修改。设置好以后，点击Next，Finish，完成构建。

构建好以后，将其更名为RS232，然后进行自动分配地址，自动分配中断号。一切就绪，点击General，进行编译。

编译好以后，退出，进入Quartus界面，给其分配引脚，如下图所示

然后运行TCL脚本，编译，等待……

编译好以后，大家可以选择自己的方式将程序下载到FPGA中，AS或JTAG都可以。

软件开发

打开NIOS II 9.0 IDE后，按快捷键Ctrl+b编译程序，等待编译……

编译好以后，我们再来看system.h文件。可以看到rs232部分的代码了，如下表所示，红圈处就是我们要用到的部分，大家已经熟悉了，一个是
基地址，一个是中断号

下面，我们开始编写软件程序，首先是修改sopc.h。如下表格所示

这个结构体中包括5个共用体，这5个共用体对应RS232的5个寄存器，我们来看看这5个寄存器，下图所示，这个图来自
《n2cpu_Embedded Peripherals.pdf》的第6-11页

这个图中的（1）有一个说明，就是说第7，8位根据设置的数据位有所改变，我们设置数据位8位，所以7，8位与前6为性质相同。

与之前讲的PIO的结构体类似，这个结构体的内容是按上图的寄存器顺序来定义的，（因为endofpacket没用到，所以在结构中没有定义）这样
在操作过程中就可以实现相应的偏移量（offset）。

在这个结构体中，我们嵌套了5个共有体，在共用体中，我们又使用了结构体和位域。头一次看的一定很头晕。其实，我们这样做的目的就是想对寄存器的每
一位进行单独的控制，同时也可以实现这个寄存器的整体控制。具体应用，我们在下面的程序中会应用到。

有了上面来的结构体以后，我们需要定义一个宏，跟PIO的类似。

不用解释了吧，在PIO部分已经解释过了，应该没什么问题了吧。

接下来，我们要在inc下建立uart.h文件，如下图所示

建好以后，对uart.h进行编写，如下表所示

在上面的代码中，结构体UART_T很重要，它是模拟面向对象的一种编程思想，也是我之前说的一种很重要的编程方式。我们将与UART有关系的所有
函数、变量都打包在一起，对其他函数来说，它们只能看到uart这个结构体，而里面的单独部分都是不可见的。希望大家可以好好体会其中的思想，对大家的编
程一定会有很大的好处。

下面，我们要开始写RS232的驱动了，首先我们要在driver下面建立一个.c文件，命名为uart.c，如下图所示

建好以后，我们来编写uart.c文件，如下表所示

编写好上面的函数以后，我们要修改main.c，如下表所示

今天就讲到这，上面的讲解方式不知道大家觉得是否合适，如果有什么问题，请给我留言。

实时时钟 (七)

简介

     
这一节，我将给大家讲解实时时钟部分的内容，我在黑金板上用的实时时钟芯片是DS1302,这块芯片很常见，性价比也很高。我们主要来讲如何在NIOS中
实现其功能，所以DS1302功能介绍我简单概括一下，有问题的百度一下就都知道了。

     
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电实时时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，仅需要三根线：RES(复位)，I/O(数据
线)，SCLK（串行时钟）。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达 31 个字节的字符组方式通信 DS1302
工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 1mW。下面看一下电路图吧，下图所示，很简单，三根线就可以搞定了。

硬件开发

     
首先，我们需要在软核中构建三个PIO模块，方法跟以前讲的一样。需要注意的是RTC_DATA这个PIO，在构建的过程中，我们将其选择为双向的IO
口，因为它是数据线，既要输入也需要输出，如下图所示，红圈处就是我们需要注意的地方，其他两个IO口设置为仅输出。

看看构建好以后的样子吧，如下图是所示

接下来就是自动分配地址，中断，然后开始编译，等待……

回到Quartus后，分配引脚，还是需要注意数据线，也是双向的，分配引脚的时候，要构建双向引脚（bidir），如下图所示。

都设置好以后，我们运行TCL脚本文件，然后开始编译，又是等待……

软件开发

      编译好后，我们打开NIOS II
IDE，首先，还是需要编译一下，CTRL+b，编译之后，我们看看system.h有什么变化。观察后可以看出，里面对了，RTC部分的代码，如下表所
示，

在这些代码中，我们需要用到的是以下部分

好的，接下来，我们就开始写程序吧

第一步，修改sopc.h文件，加入以下代码到sopc.h中

没什么可说的，接下来我们在inc文件夹下建立ds1302.h，在其中加入以下内容，跟串口程序一样，里面也有个结构体，用这种方式整合所有的函
数和变量。

准备工作都做好以后，接下来我们要做的就是写ds1302的驱动了，根据DS1302的时序图来进行编写，首先我来给看看时序图吧，如下图所示，这
个是读数据的时序图，

这个是写数据时序图

还有一个有关寄存器的表格，大家也要注意看一下，如下所示，前面两列是读和写的地址，每次操作时，都先写地址，再传数据。

现在，我们就根据时序图来编写ds1302的驱动，在driver文件夹下建ds1302.c文件，然后添加以下内容，