NIOS ii 实战篇 --- 按键控制LED

1. 生成PIO，并配置

2. PIO对应的寄存器

3. API函数

4. PIO外部中断

5. 上电自启动功能

6. 程序flash固化

1. 生成PIO，并配置

PIO IP核为avalon-MM从端口（NIOS内部互联总线接口）和通用I/O端口（FPGA PIN脚或verilog的设计接口）提供一个存储器映射（memory-mapped，存储区域和地址线一一对应的）接口。如下图所示：

1）添加PIO的IP（对于NIOS内核，需要的功能基本都是通过搭建一个个IP核实现软核的功能。STM32的IC包含MCU、存储器、中断、外设、FLASH、JTAG接口等，对应到NIOS，基本都是以IP核的形式出现）。其中，数据宽度选择4，代表着一共需要配置4个外设接口。

2）每添加一个IP结构，均需要重新分配基地址，即为这个功能/外设分配寄存器的访问地址。

3) 生成NIOS II 核后，新建软件程序工程。可以在BSP的system.h中查看这个内核可以操作的外设包含哪些，一般与调用的IP核相关。例如在本项目中使用了PIO，那么就可以看到与PIO相关的配置。如下：

可以在driver目录下，查看这个项目支持包里面定义的函数。如下：这个项目里只有jtag、时钟、nios、system ID、on-chip-ram以及PIO这些IP核，因此包含的函数主要时uart的以及pio的。例如:altera_avalon_pio_regs.h中包含了PIO的API函数。

2. PIO对应的寄存器

对PIO进行编程，就如对STM23的I/O口的操作，均是对寄存器进行操作。对地址的操作主要是通过基地址+偏移地址。如下所示：

edgecapture是与中断配合使用。

每个IP在eclipse中都有对应的寄存器描述文件，主要定义了IP的寄存器映射，硬件设备的宏定义以及操作的方法和函数等。

3. API函数

这里，与STM32的编程很相似，都是对外设的寄存器所在的地址进行操作，对一个外设，包含了各种不同的寄存器，但是这里面又与STM32有一些不同，例如，在STM32中要实现点亮LED灯，需要配置接口的使能寄存器，还有输出使能，并对ODR寄存器置位或清零，但是这里只需要操作下面的函数即可，因此有些不同，不同处还需要进一步研究。

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(PIO_LED_BASE,1<<i);

这里关于PIO包含的API函数有：

#include <io.h>#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base)           __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 0)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base)             IORD(base, 0)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base, data)       IOWR(base, 0, data)#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(base)      __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 1)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(base)        IORD(base, 1)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(base, data)  IOWR(base, 1, data)#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(base)       __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 2)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(base)         IORD(base, 2)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(base, data)   IOWR(base, 2, data)#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(base)       __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 3)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(base)         IORD(base, 3)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(base, data)   IOWR(base, 3, data)#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_SET_BIT(base)       __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 4)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_SET_BITS(base)         IORD(base, 4)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_SET_BITS(base, data)   IOWR(base, 4, data)#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_CLEAR_BITS(base)       __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 5)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_CLEAR_BITS(base)         IORD(base, 5)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_CLEAR_BITS(base, data)   IOWR(base, 5, data)

4. PIO外部中断

NIOS ii的中断。其支持32个硬件中断，和STM32一样，每个中断都会对应一个中断服务函数（ISR）,检测到中断时，都会现判断中断的优先级，然后再调用ISR。因此，同样与STM32，我们在应用中断时，首先需要使能中断，并且确定其优先级。然后编写中断服务函数。

1）硬件配置：按键使用中断，确定优先级
这个过程是在Qsys中完成。如下，在QSYS中对KEY IP核生成，以及中断配置。如下图所示，在QSYS中添加PIO的IP核，然后设置其数据宽度，选择输入/输出。因为要设置中断，中断分为电平触发和边沿触发，因此需要设置同步捕捉边沿。

上面相当于硬件配置，要使用中断还需要软件注册中断函数，相当于SM32的配置中断向量表。

2）软件注册中断函数

注册中断函数ISR，函数原型为：

int alt_irq_register(alt_u32 id, alt_u32_irq, alt_irq_func_isr,void*isr_context, void* flag);

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;

alt_u32_irq:中断号；

alt_irq_func_isr：中断服务函数；

void*isr_context：中断服务函数的形参，没有时给0就行；

void* flag：保留的参数，没有时给0就行。

3）编写中断服务函数

与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UNLL；

如下：

中断函数为：（中断函数的执行需要先对中断进行注册）

void ISR_handle_buttom(void * context)
{key_flag=~key_flag;IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(PIO_KEY_BASE,0X0);//clear the interrupt
}

中断初始化函数：

void init_botton_pio(void)
{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(PIO_KEY_BASE,0X1); //enable the interruptIOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(PIO_KEY_BASE,0X0);//clear edge capture regist alt_ic_isr_register(PIO_KEY_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID,PIO_KEY_IRQ,ISR_handle_buttom,NULL,0X0);
}

程序运行开始时，先使能按键对应的中断，然后将边沿捕捉寄存器清零，以便在中断来临时可以置1。然后用alt_ic_isr_register函数来进行中断注册，这样在中断产生时就知道需要执行哪个中断函数。其中，PIO_KEY_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID,PIO_KEY_IRQ来自于system.h。

在使用上面的函数时，注意需要调用一些PIO的头文件以及中断的头文件：

#include <stdio.h>
#include <system.h> // 包含底层寄存器宏定义等
#include <altera_avalon_pio_regs.h>  //PIO的寄存器和函数
#include <unistd.h>
#include <sys/alt_irq.h>  // sys是中断头文件的目录，需要指定，不然找不到
#include <alt_types.h> //定义了常用的数据类型

5. 上电自启动功能

即如果使用RAM作为程序的存储会，掉电后数据和程序均丢失。如果使用外部的flash存储程序就不会丢失，上电后会自动读取flash程序，称为上电自启动。方法如下面。

6. 程序flash固化

要实现掉电程序不丢失，首先需要将程序存储在flash中，因此用Qsys生成NIOS II时，需要调用EPCS FLASH，并配置如下：

1）IP核内部的参数可以默认,生成IP核并连线。同时双击export栏的PIN，将外部接口输出；

2）配置NIOS的基地址，reset vector为FPGA复位或上电时从外部的flash中读取程序。Exception vector为其他的RAM存储器，这里是on-chip-ram，意思是FPGA把从flash的应用程序拷贝到RAM中后，应用程序才开始执行。

3) 生成NIOS II，更新并生成引脚。通过pin planning与外部PIN连接。

4）编写程序并building project。下载.sof文件到FPGA（nios ii --> quartus ii programmer）。

5）nios ii --> flash programmer -->file --> new -->选择 get flash programmer system details from SOPC information file -->在SOPC information file name 选择本项目对应的 kernel.sopcinfo-->ok;

6) -->Connections ，连接成功后，有弹框出现。-->close；

7）-->add，在output_file文件夹下找到.sof文件，flash programmer工具会自动将.sof文件转换成.flash文件，用于EPCS FLASH烧录；

8）-->add，继续添加nios ii的应用程序.elf文件 --->start 开始烧写。通过短暂的 FLASH 擦除，编程，读取和校验的步骤，烧写完成。