基于SOPC的数字钟设计
学 院： 计控学院
班 级： 计本121
学 号： 2012021001
姓 名： 钟济强
指导老师： 张浩鹏
一、 设计概述
用Nios II DE2开发板的LCD显示电子钟的日期和时间，LCD分两行显示，第一行显示年月日，第二行显示时分秒。用输入按钮BUTTON来控制LCD行修改，通过Nios II IDE进行软件设计。
二、 设计要求
1．掌握Nios II系统的设计和使用方法；
2．学习通过Nios II IDE进行软件设计的方法；
3．实现在液晶屏上显示时间和日期，并可以对其进行设置。
三、 实验环境
DE2 开发板
QuartusII 7.2
SOPC Builder 7.2
NiosII IDE 7.2
四、 设计方案（总体设计、软件设计、硬件设计）
1. 总体设计要实现以下两个功能：
(1). 在液晶屏上显示时间，日期
(2). 对时间、日期能够进行设置
建立新工程clock
2. 硬件系统组成设计
根据系统要实现的功能和开发板配置，需要用到的DE2开发板上的外围器件有：
LCD：电子钟显示屏幕
按钮：电子钟设置功能键
CFI Flash存储器：存储软、硬件程序
SDRAM存储器：程序运行时将其导入SDRAM
根据所用到的外设和器件特性，在SOPC Builder中建立系统要添加的模块包括：NiosII CPU定时器，按键PIO，LCD， 外部存储器总线（Avalon三态桥），外部SDRAM控制器，外部Flash接口。
打开SOPC Buider，系统名称为sopc_clock
加入SDRAM组件
加入Flash Memory 组件
加入外部存储器总线（Avalon三态桥）
加入按键PIO
加入LCD
加入NiosII CPU定时器，选择标准型的
元件添加完后，要为每个外设分配及地址和中断请求优先级(IRQ)，在System中选择Auto-Assign Base Address和Auto-Assign IRQs命令，这两个命令可分别简单分配外设基地址和中断优先级。然后生成Nios II系统。
然后生成顶层文件，将Nios II系统模块加入到顶层文件中，如图所示原理图
进行引脚锁定，并编译，然后进行硬件下载
3．软件系统设计
要实现系统所需的功能，大量的工作应该集中在软件设计和优化上。电子钟的软件功能主要分为显示、设置和时间算法三大部分。
显示部分的功能包括：显示时间（小时：分钟：秒）和 显示日期（年-月-日）
设置部分的功能包括：设置小时，设置分钟，设置年份，设置月份，设置日期和退出设置。
设置部分的程序主要用在对按键的响应。在编写程序前要对DE2开发板上的四个按键BUTTON功能进行如下分配：
(1). 主菜单
BUTTON0：设置选择键，可依次选择设置时、分、秒和年、月、日
BUTTON1：显示日期键
BUTTON2：显示时间键
(2). 子菜单（即进入对某个选项设置后的按键功能）：
BUTTON1：选项数字增加
BUTTON2：选项数字减少
BUTTON3：退出对选项的设置，返回主菜单
时间算法部分的功能包括：时间累加和确定每个月的最大天数，使年、月、日能正确累加
五、 软件代码
1．count_binary.c的代码：
#include "count_binary.h"
//程序每秒钟检测一次按钮的状态，对日期和时间进行设置
#include "alt_types.h"
#include
#include
#include
#include "system.h"
#include "sys/alt_irq.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "lcd.h"
volatile int edge_capture;
void LCD_Init()
{
//LCD初始化
lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x38);
usleep(2000);
lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x0C);
usleep(2000);
lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x01);
usleep(2000);
lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x06);
usleep(2000);
lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x80);
usleep(2000);
}
void LCD_Show_Text(char* Text)
{
//LCD输出格式
int i;
for(i=0;i
{
lcd_write_data(LCD_BASE,Text[i]);
usleep(2000);
}
}
void LCD_Line1()
{
//向LCD写命令
lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x80);
usleep(2000);
}
void LCD_Line2()
{
//向LCD写命令
lcd_write_cmd(LCD_BASE,0xC0);
usleep(2000);
}
static void handle_button_interrupts(void* context,alt_u32 id)
{
volatile int* edge_capture_ptr=(volatile int*) context;
/*存储按钮的值到边沿捕获寄存器*/
*edge_capture_ptr=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE);
/*复位边沿捕获寄存器*/
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE,0);
}
/*初始化button_pio*/
static void init_button_pio()
{
void* edge_capture_ptr=(void*)&edge_capture;
/*开放全部4个按钮的中断*/
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(BUTTON_PIO_BASE,0xf);
/*复位边沿捕获寄存器*/
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(BUTTON_PIO_BASE,0x0);
/*登记中断源*/
alt_irq_register(BUTTON_PIO_IRQ,edge_capture_ptr,handle_button_interrupts);
}
void delay(unsigned int x)
{
while(x--);
}
int check_month(int month)
{
//如果是1、3、5、7、8、10、12月，则每月31天，程序返回1
if((month==1)||(month==3)||(month==5)||(month==7)||(month==8)||(month==10)||(month==12))
return 1;
//如果是4、6、9、11月，则每月是30天，程序返回0
if((month==4)||(month==6)||(month==9)||(month==11))
return 0;
//如果是2月，程序返回2，具体多少天还要根据年的判断来决定
if(month==2)
return 2;
}
/*
闰年的计算方法：公元纪年的年数可以被四整数，即为闰年
被100整除而不能被400整除为平年；被100整除也可被400整除的为闰年
如2000年时闰年，而1900年不是
*/
int check_year(int year)
{
if(((year%400)==0)||(((year%4)==0)&&((year%100)!=0)))
return 1;
//是闰年，返回1
else return 0;
//不是闰年，返回0
}
int main(void)
{
int screen=0;//共有两行，一行显示年月日，一行显示时间
int pos=0;//每行都有三个位置，第一行是年月日，第二行是时分秒
int year,month,day,hour,minute,second;
unsigned long sum;//sum要设置为长整型变量，不然会溢出
char date[16];
char time[16];
int year1=6;
int year2=0;
int year3=0;
int year4=2;
int month1=1;
int month2=0;
int day1=1;
int day2=0;
int hour4,hour3,hour2,hour1,minute2,minute1,second2,second1;
unsigned int screenflag;
hour=0;minute=0;second=0;year=2006;month=1;day=1;
//年月日时分秒初始化
init_button_pio();
LCD_Init();
while(1)
{
if(pos>=3)
pos=0;//共有三个位置0、1、2，超过了2要马上清0
if(screen>=2)
screen=0;//共有两行0、1，超过了1要马上清0
//na_LED8->np_piodata=1<
if(screen==0)
screenflag=8;
else screenflag=0;
//IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_GREEN_BASE,(1<
usleep(1000000);//等待1秒的定时时间
if(second<59) second++;
else
{
second=0;
if(minute<59) minute++;
else
{
minute=0;
if(hour<23) hour++;
else
{
hour=0;
if(day<30) day++;
else
{
day=1;
if(month<12) month++;
else
{
month=1;
if(year<9999) year++;
else year=2005;
}
}
}
}
}
switch(edge_capture)//检测按钮
{
case 0x08:pos=pos+1;break;//改变调整位置
/*
对数据进行加减操作的CASE：case 0x02和case 0x04
根据当前调整位置，判断当前屏显示的是年、月、日还是时分、秒
然后决定是对年月日进行加减还是对分时秒进行加减
*/
case 0x02://对当前位置上的数据执行减操作
if(pos==0)
{
if(screen==0)
{
if(day>1)day--;
else
{
if(check_month(month)==0)day=30;
if(check_month(month)==1)day=31;
if(check_month(month)==2)
{
if(check_year(year))day=29;
else day=28;
}
}
}
if(screen==1)
{
if(second>0)second--;
else second=59;
}
}
if(pos==1)
{
if(screen==0)
{
if(month>1)month--;
else month=12;
}
if(screen==1)
{
if(minute>0)minute--;
else minute=59;
}
}
if(pos==2)
{
if(screen==0)
{
if(year>0)year--;
else year=2005;
}
if(screen==1)
{
if(hour>0)hour--;
else hour=23;
}
}
break;
case 0x04://对当前位置上的数据执行加操作
if(pos==0)
{
if(screen==0)
{
if(check_month(month)==0){if(day<30)day++;else day=1;}
if(check_month(month)==1){if(day<31)day++;else day=1;}
if(check_month(month)==2)
{
if(check_year(year)){if(day<29)day++;else day=1;}
else {if(day<28)day++;else day=1;}
}
}
if(screen==1)
{
if(second<59)second++;
else second=0;
}
}
if(pos==1)
{
if(screen==0)
{
if(month<12)month++;
else month=1;
}
if(screen==1)
{
if(minute<59)minute++;
else minute=0;
}
}
if(pos==2)
{
if(screen==0)
{
if(year<9999)year++;
else year=2005;
}
if(screen==1)
{
if(hour<23)hour++;
else hour=0;
}
}
break;
case 0x01:screen++;break;//换屏
}
edge_capture=0;
{
year4=year/1000;year3=(year-year4*1000)/100;
year2=(year-year4*1000-year3*100)/10;year1=year%10;
month2=month/10;month1=month%10;
day2=day/10;day1=day%10;
LCD_Line1();
date[0]=year4+0x30;date[1]=year3+0x30;
date[2]=year2+0x30;date[3]=year1+0x30;
date[4]=' ';date[5]=' ';
date[6]=month2+0x30;date[7]=month1+0x30;
date[8]=' ';date[9]=' ';
date[10]=day2+0x30;date[11]=day1+0x30;
date[12]=' ';date[13]=' ';
date[14]=' ';date[15]=' ';
LCD_Show_Text(date);
}
{
hour4=0;hour3=0;
hour2=hour/10;hour1=hour%10;
minute2=minute/10;minute1=minute%10;
second2=second/10;second1=second%10;
time[0]=' ';time[1]=' ';
time[2]=hour2+0x30;time[3]=hour1+0x30;
time[4]=' ';time[5]=' ';
time[6]=minute2+0x30;time[7]=minute1+0x30;
time[8]=' ';time[9]=' ';
time[10]=second2+0x30;time[11]=second1+0x30;
time[12]=' ';time[13]=' ';
time[14]=' ';time[15]=' ';
LCD_Line2();
LCD_Show_Text(time);
}
}
}
2．lcd.h的代码：
#ifndef _LCD_H_
#define _LCD_H_
//LCD Module 16*2
#define lcd_write_cmd(base,data) IOWR(base,0,data)
#define lcd_read_cmd(base) IORD(base,1)
#define lcd_write_data(base,data) IOWR(base,2,data)
#define lcd_read_data(base) IORD(base,3)
//----------------------------------------------------------------------
void LCD_Init();
void LCD_Show_Text(char* Text);
void LCD_Line2();
void LCD_Test();
//----------------------------------------------------------------------
#endif
六、 实验分析和实验结果
用输入按钮BUTTON[0]可以控制LCD行修改，同时让NiosII DE2开发板上的绿色发光二极管LEDG3的亮灭来表示。用输入按钮BUTTON[3]可以控制日期和时间的修改，BUTTON[1]和BUTTON[2]输入按钮可以减少和增加显示的数字。
实验中开始时SDRAM的BIDIR端口的命名错误导致引脚锁定未成功，此端口的名称应为DRAM_DQ[15..0]。此外，三态桥的设置被改变了，需要重新设置，回到Quartus II中，在assignments中选择settings，Device->Device and Pin Options->Unused Pins，改为As input tri-stated。
七、 总结
通过这12周的SOPC技术综合设计实践的学习，我学会了Quartus II，
SOPC Buider和Nios II DE2 的使用，并通过这些软件可以进行简单的实验操作，强化了我的动手能力，并通过这几次实验更加了解SOPC的设计与应用。在实验中，遇到了各种各样的问题，首先是自己进行检查，查不出来再由老师同学进行检查和讲解，提高了自己解决问题的能力，并且熟悉了整个实验的流程及具体的操作。我觉得这门课程很有意思，实验中是把各个部分的操作整合在一起，形成一个系统，做实验时要有整体感，一旦出现问题整体的重新进行设置和编译，比如如果添加组建时出现错误，要重新添加，重新生成模块，重新倒入模块，重新编译顶层文件，是一个整体的过程。
八、 附录
参考《SOPC技术与应用》，编著：江国强，机械工业出版社。
参考《SOPC技术综合设计实践实验指南》，编著：邱德惠。
思考题：
1． 何谓SOC？
SOC（System On a Chip）称为片上系统，它是指将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上。SOC中可以包括微处理器CPU、数字信号处理器DSP、存储器（ROM、RAM、Flash等）、总线和总线控制器、外围设备接口等，还可以包括数模混合电路（放大器、比较器、A/D和D/A转换器、锁相环等），甚至传感器、微机电和微光电单元。
2． 何谓SOPC？
SOPC（System On a Programmable Chip）称为可编程片上系统，它是基于可编程逻辑器件（FPGA或CPLD）可重构的SOC。SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环（PLL）、存储器、I/O接口及可编程逻辑，可以灵活高效地解决SOC方案，而且设计周期短，设计成本低，一般只需要一台配有SOPC开发软件的PC和一台SOPC实验开发系统（或开发板），就可以进行SOPC的设计与开发。
3． 何谓IP核？
IP（Intellectual Property）是知识产权的简称。集成电路IP是指经过预先设计、预先验证、符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准，并具有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统，如CPU、运算器、存储器、放大器等。集成电路IP模块具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可重复用于SOC、SOPC或复杂ASIC设计中。
4． 何谓嵌入式系统，嵌入式系统的CPU核可以分为哪两种类型？
嵌入式系统是指嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用软件。
基于SOPC的嵌入式系统结构主要包括嵌入式微处理器（CPU核）、定时器（Timer）、嵌入式锁相环（PLL）、嵌入式数字信号处理器（DSP）及其他IP模块等部分。
嵌入式系统的CPU核可以分为硬核和软核。
5． 简述CPU软核的特点。
软核通常以可综合的HDL提供，因此具有较高的灵活性，并与具体的实现工艺无关，其主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性。由于软核是以源代码的形式提供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知识产权保护问题不容忽视。
6． 简述HAL的用途及基于HAL的外围设备的编程方法。
HAL作为支持Nios II处理器系统的软件包，为用户的嵌入式系统上的外围设备提供了与之相匹配的接口程序。用户不用自己建立或复制HAL文件，也不需要编辑HAL中的任何源代码，使用时只需要在C/C++源程序中指明代表这些接口程序的库函数包含的头文件即可。
在一个基于Nios II的SOPC系统上，外围设备包括通用异步串口UART、发光二极管LED、七段数码管、按钮、LCD、存储器、定时器、鼠标、VGA等。在应用软件的开发中，对于按钮、发光二极管LED、七段数码管等通用输入输出设备的编程比较简单，而对于通用异步串口UART、LCD、VGA等字符模式外围设备的编程就比较复杂。
为了方便用户对字符模式外围设备的编程，HAL支持标准输入、标准输出和标准错误函数，允许在程序中调用stdio.h中的I/O函数来完成对这些设备的访问，也支持字符模式外围设备的通用访问。
7． 简述SOPC的设计流程。
SOPC硬件开发流程
a) 创建Quartus II工程
b) 创建Nios II系统模块
c) 配置Nios II系统
d) 将Nios II系统模块、LPM和用户自定义模块连接起来
e) 编译、引脚分配、编程下载
SOPC软件开发流程
Nios II程序包括一个应用工程、可选的库工程和一个板支持包工程（自动生成）。将Nios II程序编译成一个能在Nios II处理器上运行的.elf文件。
1． 新建Nios II C/C++应用工程与系统库工程
为新的Nios II工程命名、选择目标硬件（硬件系统的PTF文件，IDE根据该文件来建立系统库）、选择新工程的模板、建立C的源文件与头文件（注意一定要加上后缀名.c）、创建新的系统库（为硬件提供相应驱动）
注意：工程文件夹要建在D盘根目录下（其中D盘装有Quartus II软件）
2． 编译与设置工程
对工程进行编译project→build project，编译成功后，在工程下面会出现一个Binaries目录，其中有一个可执行文件.elf。
3． 运行与调试程序
4． 编译整个项目
软件设计完成并调试成功后，可以在Quartus II中将整个项目进行编译，将硬件配置信息和软件初始化信息编译在一起，并固化到EPCS1芯片中。
8． 简述AVALON总线的特点。
Avalon总线是一种相对简单的总线结构，主要用于片内处理器与外设的连接，构成SOPC系统。Avalon总线拥有多种传输模式，以适应不同外设的要求。Avalon总线支持多总线的主外设，并允许在单总线外设之间传输多个数据单元，在构建SOPC系统时拥有极大的灵活性。
9． System.h系统描述文件包含了哪些NIOS II系统的硬件信息？
·处理器配置
·外设列表
·存储器配置
·定制指令宏
·处理器复位和异常地址
·代码段位置
10. 基于altera公司的SOPC系统如何实现上电自动加载程序？
1) 在SOPC Builder中，将CPU的Reset Vector设为cfi_flash
2) 下载硬件时，先将DE2板上液晶左边的开关扳到prog，在下载器窗口中Mode选项选择Active Serial Programing选项，然后单击Add File按钮，选择FlashTest.pof文件，勾选全部选项，点击start按钮即开始下载。下载结束后将上述开关扳回run。以后上电之后就自动将硬件加载到FPGA中，可以直接运行软件。
3) 下载软件时，选择Tool->Flash Programmer，点击Program Flash就可以将程序烧入Flash。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/97d0ef16c1c708a1294a4472.html
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