niosII的那些事--基于AVALON总线的IP核定制

简介

NIOS II是一个建立在FPGA上的嵌入式软核处理器，除了可以根据需要任意添加已经提供的外设外，用户还可以通过定制用户逻辑外设和定制用户指令来实现各种应用要求。这节我们就来研究如何定制基于Avalon总线的用户外设。

SOPC Builder提供了一个元件编辑器，通过这个元件编辑器我们就可以将我们自己写的逻辑封装成一个SOPC Builder元件了。下面，我们就以PWM实验为例，详细介绍一下定制基于Avalon总线的用户外设的过程。

我们要将的PWM是基于Avalon总线中的Avalon Memory Mapped Interface (Avalon-MM)，而Avalon总线还有其他类型的设备，比如Avalon Streaming Interface (Avalon-ST)、Avalon Memory Mapped Tristate Interface等等，在这里我就不详细叙述了，需要进一步了解的请参考ALTERA公司的《Avalon Interface Specifications》（mnl_avalon_spec.pdf）。

Avalon-MM接口是内存映射系统下的用于主从设备之间的读写的接口，下图就是一个基于Avalon-MM的主从设备系统。而我们这节需要做的就是下图高亮部分。他的地位与UART，RAM Controller等模块并驾齐驱的。

Avalon-MM接口有很多特点，其中最大的特点就是根据自己的需求自由选择信号线，不过里面还是有一些要求的。建议大家在看本文之前，先看一遍《Avalon Interface Specifications》，这样就能对Avalon-MM接口有一个整体的了解。

下图为Avalon-MM外设的一个结构图，

理论的就说这些，下面我们举例来具体说明，让大家可以更好的理解。

构建HDL

我们这一节是PWM为例，所以首先，我们要构建一个符合Avalon-MM Slave接口规范的可以实现PWM功能的时序逻辑，在这里，我们利用Verilog语言来编写。在程序中会涉及到Avalon信号，在这里，我们说明一下这些信号（其中，方向以从设备为基准）

HDL中的信号	Avalon信号类型	宽度	方向	描述
clk	clk	1	input	同步时钟信号
reset_n	reset_n	1	input	复位信号，低电平有效
chipselect	chipselect	1	input	片选信号
address	address	2	input	2位地址，译码后确定寄存器offset
write	write	1	input	写使能信号
writedata	writedata	32	input	32位写数据值
read	read	1	input	读时能信号
byteenable	byteenable	1	input	字节使能信号
readdata	readdata	32	output	32位读数据值

此外，程序中还包括一个PWM_out信号，这个信号是PWM输出，不属于Avalon接口信号。

PWM内部还包括使能控制寄存器、周期设定寄存器以及占空比设置寄存器。设计中将各寄存器映射成Avalon Slave端口地址空间内一个单独的偏移地址。没个寄存器都可以进行读写访问，软件可以读回寄存器中的当前值。寄存器及偏移地址如下：

寄存器名	偏移量	访问属性	描述
clock_divide_reg	00	读/写	设定PWM输出周期的时钟数
duty_cycle_reg	01	读/写	设定一个周期内PWM输出低电平的始终个数
control_reg	10	读/写	使能和关闭PWM输出，为1时使能PWM输出

程序如下：

001 module PWM(

002 clk,

003 reset_n,

004 chipselect,

005 address,

006 write,

007 writedata,

008 read,

009 byteenable,

010 readdata,

011 PWM_out);

012

013 input clk;

014 input reset_n;

015 input chipselect;

016 input [1:0]address;

017 input write;

018 input [31:0] writedata;

019 input read;

020 input [3:0] byteenable;

021 output [31:0] readdata;

022 output PWM_out;

023

024 reg [31:0] clock_divide_reg;

025 reg [31:0] duty_cycle_reg;

026 reg control_reg;

027 reg clock_divide_reg_selected;

028 reg duty_cycle_reg_selected;

029 reg control_reg_selected;

030 reg [31:0] PWM_counter;

031 reg [31:0] readdata;

032 reg PWM_out;

033 wire pwm_enable;

034

035 //地址译码

036 always @ (address)

037 begin

038 clock_divide_reg_selected<=0;

039 duty_cycle_reg_selected<=0;

040 control_reg_selected<=0;

041 case(address)

042 2'b00:clock_divide_reg_selected<=1;

043 2'b01:duty_cycle_reg_selected<=1;

044 2'b10:control_reg_selected<=1;

045 default:

046 begin

047 clock_divide_reg_selected<=0;

048 duty_cycle_reg_selected<=0;

049 control_reg_selected<=0;

050 end

051 endcase

052 end

053

054 //写PWM输出周期的时钟数寄存器

055 always @ (posedge clk or negedge reset_n)

056 begin

057 if(reset_n==1'b0)

058 clock_divide_reg=0;

059 else

060 begin

061 if(write & chipselect & clock_divide_reg_selected)

062 begin

063 if(byteenable[0])

064 clock_divide_reg[7:0]=writedata[7:0];

065 if(byteenable[1])

066 clock_divide_reg[15:8]=writedata[15:8];

067 if(byteenable[2])

068 clock_divide_reg[23:16]=writedata[23:16];

069 if(byteenable[3])

070 clock_divide_reg[31:24]=writedata[31:24];

071 end

072 end

073 end

074

075 //写PWM周期占空比寄存器

076 always @ (posedge clk or negedge reset_n)

077 begin

078 if(reset_n==1'b0)

079 duty_cycle_reg=0;

080 else

081 begin

082 if(write & chipselect & duty_cycle_reg_selected)

083 begin

084 if(byteenable[0])

085 duty_cycle_reg[7:0]=writedata[7:0];

086 if(byteenable[1])

087 duty_cycle_reg[15:8]=writedata[15:8];

088 if(byteenable[2])

089 duty_cycle_reg[23:16]=writedata[23:16];

090 if(byteenable[3])

091 duty_cycle_reg[31:24]=writedata[31:24];

092 end

093 end

094 end

095

096 //写控制寄存器

097 always @ (posedge clk or negedge reset_n)

098 begin

099 if(reset_n==1'b0)

100 control_reg=0;

101 else

102 begin

103 if(write & chipselect & control_reg_selected)

104 begin

105 if(byteenable[0])

106 control_reg=writedata[0];

107 end

108 end

109 end

110

111 //读寄存器

112 always @ (address or read or clock_divide_reg or duty_cycle_reg or control_reg or chipselect)

113 begin

114 if(read & chipselect)

115 case(address)

116 2'b00:readdata<=clock_divide_reg;

117 2'b01:readdata<=duty_cycle_reg;

118 2'b10:readdata<=control_reg;

119 default:readdata=32'h8888;

120 endcase

121 end

122

123 //控制寄存器

124 assign pwm_enable=control_reg;

125

126 //PWM功能部分

127 always @ (posedge clk or negedge reset_n)

128 begin

129 if(reset_n==1'b0)

130 PWM_counter=0;

131 else

132 begin

133 if(pwm_enable)

134 begin

135 if(PWM_counter>=clock_divide_reg)

136 PWM_counter<=0;

137 else

138 PWM_counter<=PWM_counter+1;

139 end

140 else

141 PWM_counter<=0;

142 end

143 end

144

145 always @ (posedge clk or negedge reset_n)

146 begin

147 if(reset_n==1'b0)

148 PWM_out<=1'b0;

149 else

150 begin

151 if(pwm_enable)

152 begin

153 if(PWM_counter<=duty_cycle_reg)

154 PWM_out<=1'b1;

155 else

156 PWM_out<=1'b0;

157 end

158 else

159 PWM_out<=1'b0;

160 end

161 end

162

163 endmodule

上面的程序保存好以后，命名为PWM.v，并将其存放到工程目录下。

硬件设置

接下来，我们就通过SOPC Builder，来建立PWM模块了。首先，打开Quartus软件，进入SOPC Builder。进入后，点击下图红圈处

点击后，如下图所示，点击Next，

点击后，如下图所示，点击下图红圈处，将我们刚才建立的PWM.v加进来。（我将PWM。v放到了工程目录下的pwm文件夹下）

加入后，系统会对PWM.v文件进行分析，如下图所示，出现红圈处的文字，说明分析成功，点击close，关闭对话框。

然后点击Next，如下图所示，通过下图，我们可以看到，PWM.v中的信号都出现在这里面了。我们可以根据我们的功能要求来配置这些信号，其中，Interface是Avalon接口类型，它包括Avalon-MM、Avalon-ST、Avalon Memory Mapped Tristate Interface等等。Signal Type指的是各个Avalon接口类型下的信号类型。PWM.v中的信号我们已经在前面都介绍过了，大家按照上面的要求设置就可以了。默认情况只有PWM_out需要改动，如下图示红圈处设置，

其中，Interface在下拉菜单中选择下图红圈处所示的选项。

上面的选项都设置好以后，点击Next，如下图所示，我们通过下图红圈处的下拉条向下拉

拉到下图所示位置停止，我们将红圈处的改选为NATIVE,这个地方就是地址对齐的选项，我们选择为静态地址对齐。其他的地方都默认，不需要改动。

这里面还有很多选项，其中Timing部分需要说明一下，PWM的Avalon Slave端口与Avalon Slave端口时钟信号同步，读/写时的建立很保持时间为0，因为读、写寄存器仅需要一个时钟周期，所以读/写时为0等待切不需要读延时。

接着点击Next，如下图所示，其中红圈处需要注意，这个地方需要可以建立新组，然后在SOPC Builder中体现出来。

点击Finish后，会出现下面的对话框，点击Yes，就会生成一个PWM_hw.tcl脚本文件，大家可以打开看一下，里面放置的是刚才我们配置PWM时候的配置信息。

上面都完成以后，我们回到了SOPC Builder界面，我们在左侧边栏中可以找到下图所示的红圈处

大家看到了吧，MyIP就是我们刚才建立的group。双击PWM，我们建立PWM模块，如下图

点击Finish，完成建立。

这里还需要设置一步，点击下图红圈处

点击后，如下图所示，点击IP Serarch Path，然后点击Add，添加PWM.v所在位置的路径

添加后，如下图所示

点击Finish完成。设置这个选项是为了让SOPC Builder可以找到PWM.v的位置。不然就会出现下次你进入SOPC Builder的时候PWM模块无效的问题。

接下来的工作就是自动分配地址，分配中断，编译，等待......

编译好以后，我们回到Quartus软件界面，我们可以看到，PWM出现了，我将它接到了一个LED上了，我们可以通过PWM改变LED的亮度，实现LED渐亮渐灭的过程。

接下来又是编译，等待.....

做好硬件部分工作以后，我们打开NIOS IDE，开始软件编程部分。

软件开发

首先对工程重新编译一次，Ctril+B，等待......

编译好以后，我们来看一下system.h的变化情况，我们可以发现，多出来PWM部分了。

下面是PWM测试代码，

`01`	`#include <unistd.h>`

`02`	`#include "system.h"`

03

`04`	`//根据寄存器的偏移量，我们定义一个结构体PWM`

`05`	`typedef` `struct{`

`06`	`volatile unsigned` `int` `divi;`

`07`	`volatile unsigned` `int` `duty;`

`08`	`volatile unsigned` `int` `enable;`

09 }PWM;

10

`11`	`int` `main()`

12 {

`13`	`int` `dir = 1;`

14

`15`	`//将pwm指向PWM_0_BASE首地址`

`16`	`PWM pwm = (PWM )PWM_0_BASE;`

`17`	`//对pwm进行初始化,divi最大值为232-1。`

`18`	`pwm->divi = 1000;`

`19`	`pwm->duty = 0;`

`20`	`pwm->enable = 1;`

21

`22`	`//通过不断的改变duty值来改变LED一个周期亮灯的时间长短`

`23`	`while(1){`

`24`	`if(dir > 0){`

`25`	`if(pwm->duty < pwm->divi)`

`26`	`pwm->duty += 100;`

27 else

`28`	`dir = 0;`

29 }

30 else{

`31`	`if(pwm->duty > 0)`

`32`	`pwm->duty -= 100;`

33 else

`34`	`dir = 1;`

35 }

36

`37`	`usleep(100000);`

38 }

39

`40`	`return` `0;`

41 }