?系統(tǒng)軟件設(shè)計 - 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)主要的開發(fā)調(diào)試工具有SOPC Builder、Quartus II和 NIOS II IDE。SOPC Builder是一個自動化的系統(tǒng)開發(fā)工具，它能夠極大地簡化高性能SOPC的設(shè)計工作；Quartus II是Altera公司推出的CPLD/FPGA開發(fā)工具，Quartus II提供了完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無關(guān)的開發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設(shè)計的全部特性，主要用于system-on-a-programmable-chip （SOPC）的設(shè)計環(huán)境；NIOS II IDE是NIOS II系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以NIOS II IDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。

　　3.1．系統(tǒng)軟件配置

　　采用NIOS處理器開發(fā)設(shè)計與采用傳統(tǒng)的處理器開發(fā)設(shè)計不同，開發(fā)者必須先配置處理器結(jié)構(gòu)、設(shè)置接口等內(nèi)容。也就是說，開發(fā)者必須根據(jù)實際需求構(gòu)建一個處理器，而傳統(tǒng)的處理器具有固定接口、片內(nèi)RAM和外部設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計所需的具體軟件配置如下：

　　（1）用SOPC Builder系統(tǒng)綜合軟件來進(jìn)行NIOS軟核的軟件配置，包括NIOS CPU配置、片上ROM及RAM設(shè)置、FLASH設(shè)置、SDRAM設(shè)置、JTAG調(diào)試配置、加入定時器、加入外部RAM總線——Avalon三態(tài)總線橋、通訊接口、按鍵PIO與LED PIO設(shè)置、指定基地址和配置NIOS軟核，這樣整個NIOS軟核已經(jīng)配置完畢，之后需要編譯，并生成圖形文件，成為Quartus II設(shè)計的一部分。

　?。?）使用Quartos II軟件來選取具體的Altera可編程器件系列，并對SOPC Builder生成的HDL設(shè)計文件進(jìn)行布局布線；再使用Quartos II軟件選取目標(biāo)器件并對NIOS II系統(tǒng)上的各種I/O口分配管腳，另外還要根據(jù)要求進(jìn)行硬件編譯選項或時序約束的設(shè)置。在編譯的過程中，Quartos II從HDL源文件綜合生成一個適合目標(biāo)器件的網(wǎng)表。最后生成配置文件。

　?。?）使用Quartos II編程器和Altera下載電纜，將配置文件下載到開發(fā)板上。當(dāng)校驗完當(dāng)前硬件設(shè)計后，再將新的配置文件下載到開發(fā)板上的非易失存儲器里。

　　3.2．嵌入式實時操作系統(tǒng)MicroC/OS-II的應(yīng)用設(shè)計

　　目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)主要有MicroC/OS-II ， MicroCLinux，VxWorks等，考慮到系統(tǒng)資源以及NIOS II IDE 開發(fā)環(huán)境包含MicroC/OS-II實時操作系統(tǒng)，為設(shè)計者提供快速地搭建基于NIOS II處理器的MicroC/OS-II應(yīng)用程序的能力，， 故本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選用MicroC/OS-II 。MicroC/OS-II 是一種可固化、可剪裁、占先式的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。它為每個任務(wù)分配單獨的堆棧， 提供多種系統(tǒng)服務(wù)可進(jìn)行中斷管理。

　　創(chuàng)建一個基于NIOS II處理器的MicroC/OS-II軟件過程包含以下步驟：創(chuàng)建一個新的NIOS II IDE工程；設(shè)定MicroC/OS-II軟件工程庫；建立并運行NIOS II 下的MicroC/OS-II軟件工程。

　　一、 創(chuàng)建一個新的NIOS II IDE工程

　　創(chuàng)建一個新的NIOS II IDE工程的方法比較簡單，基本上按照向?qū)Ь湍芡瓿?，要注意的是?Project Template（工程模板）選擇中， 要選擇 the MicroC/OS-II Tutorial，在New System Library Dialog Box 頁面中的Select Type of system library欄中要選擇MicroC/OS-II。

　　二、設(shè)定MicroC/OS-II的步驟

　?。?）． 在NIOS II IDE的C/C++ Projects視圖中，右鍵在系統(tǒng)庫上單擊std_system_lib。

　　（2）． 在彈出的菜單中選擇Properties打開Properties對話框。

　　（3）． 單擊System Library顯示system library選項。

　?。?）．單擊在RTOS 下面的RTOS Options。彈出MicroC/OS-II RTOS Options對話框。

　　（5）．單擊“＋”在在左邊的面板中，展開MicroC/OS-II目錄。MicroC/OS-II是高度映射可設(shè)定的。你選定的對話框中的選項被保存在os_cfg.h文件中。選定的MicroC/OS-II選項被包含在二進(jìn)制中。通過單擊MicroC/OS-II下每一個選項檢查你所能選擇的選項。

　?。?）．選擇默認(rèn)設(shè)置單擊OK。你將返回系統(tǒng)庫選項對話框，然后單擊OK完成設(shè)置。

　　三、建立并運行NIOS II 下的MicroC/OS-II軟件工程

　　在這一部分，在嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計并運行一個MicroC/OS-II程序，通過在嵌入式操作系統(tǒng)MicroC/OS-II下編寫2個互相調(diào)用任務(wù)來測試本系統(tǒng)的運行情況。

　　1．打開ucosii_tutorial.c

　　2．頭文件加入如下代碼

　　#include “system.h”

　　#include “altera_avalon_pio_regs.h”

　　#include “alt_types.h”

　　3．加入相關(guān)定義

　　#define TASK_STK_SIZE 1024

　　#define TaskStart_ID 0

　　#define Task1_ID 1

　　#define Task2_ID 2

　　#define TaskStart_Prio 1

　　#define Task1_Prio 4

　　#define Task2_Prio 3

　　OS_STK TaskStk［N_TASKS］［TASK_STK_SIZE］;

　　OS_EVENT *AckMbox;

　　OS_EVENT *TxMbox

　　4．在初始化函數(shù) initCreateTasks函數(shù)中加入如下代碼

　　OSTaskCreateExt（TaskStart， 0， &TaskStk［0］［TASK_STK_SIZE-1］， TaskStart_Prio， TaskStart_ID， &TaskStk［0］［0］， TASK_STK_SIZE， 0， OS_TASK_OPT_STK_CHK ）;

　　OSTaskCreateExt（Task1， 0， &TaskStk［1］［TASK_STK_SIZE-1］， Task1_Prio， Task1_ID， &TaskStk［2］［0］， TASK_STK_SIZE， 0， OS_TASK_OPT_STK_CHK ）;

　　OSTaskCreateExt（Task2， 0， &TaskStk［2］［TASK_STK_SIZE-1］， Task2_Prio， Task2_ID， &TaskStk［3］［0］， TASK_STK_SIZE， 0， OS_TASK_OPT_STK_CHK ）;

　　5．增加執(zhí)行2任務(wù)互相調(diào)用的代碼

　　void Task1（void * pParam）

　　{ //往接收消息隊列發(fā)送A

　　char txmsg;

　　INT8U err;

　　txmsg = ‘A’;

　　while（1）

　　{

　　OS_ENTER_CRITICAL（）;

　　printf（ “Hello from task1\n” ）;

　　OS_EXIT_CRITICAL（）;

　　OSMboxPost（TxMbox， &txmsg）;

　　OSMboxPend（AckMbox， 0， &err）;

　　OSTimeDly（2）;

　　}

　　}

　　void Task2（void * pParam）

　　{

　　char *rxmsg;

　　INT8U err;

　　while（1）

　　{

　　rxmsg = OSMboxPend（TxMbox， 0， &err）;

　　OS_ENTER_CRITICAL（）;

　　printf（ “Hello from task2\n” ）;

　　OS_EXIT_CRITICAL（）;

　　OSTimeDly（2）;

　　OSMboxPost（AckMbox， （void*）1）;

　　}

　　}

　　6、 選擇Run As 》 NIOS II Hardware （Run menu中）創(chuàng)建程序，下載它到試驗板中并運行。下載完成后，當(dāng)執(zhí)行這兩個任務(wù)時，任務(wù)一返回：“Hello from task1”；而任務(wù)二返回：“Hello from task2”，兩個任務(wù)之間互相調(diào)用。

　　得到測試結(jié)果如圖2：

　　圖2 MicroC/OS系統(tǒng)測試結(jié)果

　　從測試結(jié)果中可以看出，任務(wù)一和任務(wù)二被反復(fù)的調(diào)用，這與預(yù)期中執(zhí)行的結(jié)果相同，說明系統(tǒng)能夠在FPGA中穩(wěn)定運行。

　　四、結(jié)束語

　　本文介紹的基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了預(yù)期效果， CPU 本身是以軟核的方式實現(xiàn)， 其功能可根據(jù)需要進(jìn)行定制， 非常靈活。嵌入式MicroC/OS-II 操作系統(tǒng)的32 位嵌入式微處理器進(jìn)行核心控制，利用它強大的運算處理能力，不僅減少了系統(tǒng)所用的器件數(shù)量和系統(tǒng)的尺寸，更提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。該設(shè)計為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了一條新思路，體現(xiàn)了FPGA的靈活性、高集成性等特性，大大降低了成本，縮短了開發(fā)時間。