我們使用VHDL語言，根據(jù)FPGA管腳與數(shù)碼管和按鍵管腳的連接，通過一系列的語句控制管腳電平的高低，從而讓FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示功能?？梢?，對于比較簡單的功能實(shí)現(xiàn)，可以像這個例子中那樣，直接控制最底層資源，甚至對每個管腳在每個時刻的電平輸出了如指掌。
????但是，如果設(shè)計稍顯復(fù)雜，那么對底層細(xì)節(jié)的過多關(guān)注就會成為一種累贅。
??? 試想我們平時在電腦上編寫C程序，比如在顯示器上輸出一行字，我們只用一句printf()即可完成，至于打印命令怎么傳到顯示芯片上，哪個芯片管腳怎么 變化，又怎么傳到顯示器上輸出，諸如此類涉及底層硬件的問題，我們沒必要關(guān)注太多。于是，我們把用printf()這類高級語言描述設(shè)計邏輯的工作稱為軟 件設(shè)計。顯然，軟件只是一種抽象的看不見摸不著的東西，它的結(jié)構(gòu)接近于人類思維邏輯。無論軟件再怎樣構(gòu)思精妙，只有在硬件上才能體現(xiàn)出實(shí)際效果。
????做計算機(jī)開發(fā)應(yīng)用程序的時候，硬件是現(xiàn)成的，軟硬件之間的橋梁早就由操作系統(tǒng)給你搭好了，我們只需專心完成軟件的構(gòu)思和設(shè)計就OK。
????顯而易見，軟硬件的分工會給電子設(shè)計帶來極大的方便，自然有人把這種分工方式引進(jìn)FPGA設(shè)計領(lǐng)域，琢磨著怎么在小小的FPGA上也搞個軟硬件協(xié)同設(shè)計，負(fù)責(zé)硬件設(shè)計的和負(fù)責(zé)軟件的各司其職，最后pia一整合，效率倍增。
????來看看nios是怎么做的。拿出DE2開發(fā)板，上面很多外設(shè)接口和與之連接的芯片，那是硬件，中間有一塊大的CycloneII芯片，里面是空的，等著我 們編寫程序下載到里面運(yùn)行，前篇文章我們用最原始的方法寫了個數(shù)碼管控制器，這次我們換種方法，同樣是數(shù)碼管控制器，用軟硬件協(xié)同設(shè)計來完成。
????跟計算機(jī)對比，硬件我們有了，軟件就用C語言來寫，但是nios系統(tǒng)可沒提供WinXP，也就是說軟件和硬件之間的那座橋還得自己解決。
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????看上圖，這座橋分為3個層次：硬件控制層，設(shè)備驅(qū)動層，硬件抽象層（簡稱HAL）。既然是軟硬件的過渡部分，那么這3層的設(shè)計需要對硬件和軟件都有一定程度的了解，姑且稱之為“軟硬件混雜設(shè)計”吧。
????每一層所要完成的任務(wù)，就是整合和簡化硬件操作細(xì)節(jié)，整合，再整合，使其一目了然。
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<1> 硬件控制層
??? 與硬件直接打交道的是硬件控制層。
??? 上面提到，搭“橋”的目的是讓軟件設(shè)計人員可以完全忽略硬件操作細(xì)節(jié)，因此，我們希望所有的硬件細(xì)節(jié)都能在這層解決，并向設(shè)備驅(qū)動層提供整齊的“接口”。之前的例子可看作硬件控制器的雛形，但還缺少與設(shè)備驅(qū)動層的接口。
??? 何為“整齊”呢？比如說，設(shè)計數(shù)碼管控制器，我想讓它顯示數(shù)字“5”，最好的方法是，我將數(shù)據(jù)“5”和表示“顯示”的命令從設(shè)備驅(qū)動層傳給硬件控制層，直 接告訴它：我要“數(shù)碼管”“顯示”“5”。至于要控制哪個管腳電平高低才能顯示“5”，全由硬件控制層負(fù)責(zé)。
??? 類似這樣分工合作的例子在日常生活中屢見不鮮。比如說，郵局要將一封信送給家住A小區(qū)的張三，郵遞員把信放入A小區(qū)的信箱，小區(qū)物業(yè)再去確認(rèn)張三的具體住處，把信最終送到張三手中。
??? 類比可見，郵局相當(dāng)于設(shè)備驅(qū)動，物業(yè)相當(dāng)于硬件管理器，張三則是具體的硬件，郵局和物業(yè)之間的接口是物業(yè)提供的信箱，設(shè)備驅(qū)動和硬件管理層之間的接口，我們稱之為“寄存器”，同樣由硬件管理層提供，“寄存器”是兩層之間得以明確分工和相互聯(lián)系的關(guān)鍵。
??? 設(shè)備驅(qū)動開發(fā)人員眼中的硬件就是一組寄存器的抽象，通過讀寫寄存器間接控制硬件行為。
??? 那么，在數(shù)碼管控制器里加入一個數(shù)據(jù)寄存器和一個命令寄存器：
??
?????? data_reg存儲待顯示的數(shù)據(jù)，cmd_reg為‘1’時顯示，為‘0’時清空。
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?
<2> Avalon總線
?????? 你可能會說，這有什么？在每個硬件管理器和設(shè)備驅(qū)動之間都建立一個通道唄。這是最直接的辦法，但顯然不是最好的辦法。試想，城市為什么要建高速公路呢？多 修幾十根羊腸小道不也一樣能跑車嗎？有人回答：為了收養(yǎng)路費(fèi)唄。$%@&&! 小路上開車，速度慢且不說，管理協(xié)調(diào)是個大問題，是一條大公路容易管理，還是幾十根羊腸容易理順？
???? 好了，回到正題，nios系統(tǒng)需要一條“高速公路”，稱為“總線”，“總線仲裁器”則行使“交通管理局”的角色，控制數(shù)據(jù)的進(jìn)出，并為每個硬件提供一個進(jìn) 出“高速公路”的接口，用“地址”來標(biāo)識這個接口的位置。nios采用的是Avalon總線，它有著一套接口規(guī)范：
?????? 同步時鐘 clk
?????? 片選信號 chipselect
?????? 地址 address
?????? 讀請求 read
?????? 讀傳輸 readdata
?????? 寫請求 write
?????? 寫傳輸 writedata
?????? 這些是比較重要的接口信號，其它的不一一列舉了。硬件控制器要接入總線，必須遵循接口規(guī)范，就像高速公路出口必須擺個收費(fèi)站一樣。
??
?????? 那么在數(shù)碼管控制器里加入Avalon總線信號：
??
??? 既然加入了兩個寄存器和avalon信號，就需要對硬件邏輯進(jìn)行必要改動，大致過程是，當(dāng)chipselect和write有效時，將 write_data賦給address對應(yīng)的寄存器；當(dāng)chipselect和write有效時，將address對應(yīng)寄存器的值賦給 read_data。另外，根據(jù)這兩個寄存器的內(nèi)容決定數(shù)碼管輸出信號oSEG0。代碼不貼出來了，具體見工程壓縮包。

?<3> 設(shè)備驅(qū)動程序
??? 其實(shí)，“總線仲裁器”也可看作一種硬件控制器，只不過它管的不是具體的硬件，而是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。那么它也有自己的設(shè)備驅(qū)動，封裝了總線操作的細(xì)節(jié)。既然總線是現(xiàn)成的，我們秉承“拿來主義”的原則，甭管它怎么實(shí)現(xiàn)的，會用就行。
??? 例如，數(shù)碼管設(shè)備驅(qū)動要把數(shù)據(jù)“5”和“顯示”命令傳給數(shù)碼管控制器，設(shè)計兩個函數(shù)，由于數(shù)據(jù)和命令的傳遞必須經(jīng)過總線，那么需調(diào)用總線驅(qū)動函數(shù)IOWR(基地址, 偏移量, 數(shù)據(jù))，另外，讀取寄存器用到IORD(基地址, 偏移量)，這兩個函數(shù)在里。
?????? 的路徑是"..alterakits ios2_60componentsaltera_nios2HALinc"。
?????? 至此，“橋”搭完。
??
??? 函數(shù)功能從字面上很好理解。剛才定義兩個寄存器時，data_reg在前面，所以偏移量是0，cmd_reg在后面，偏移量是1?！痢羅REG_MSK稱 為掩碼，avalon總線數(shù)據(jù)接口共32位，但我們設(shè)計的data_reg位寬是3，cmd_reg位寬為1，掩碼的作用在于告知寄存器寬度，知道就行， 實(shí)際上用不著?！痢羅REG_OFST是寄存器內(nèi)的偏移量，這里同樣用不著，先寫上吧。
??? OK，我們的數(shù)碼管設(shè)備驅(qū)動文件正式出爐了，看看是不是簡潔明了很多??？

?<4> 硬件抽象層（HAL）
??? 設(shè)備驅(qū)動程序封裝的僅僅是對某個寄存器的一次讀寫操作，功能單一，需要在硬件抽象層再做一次封裝。
??? 直接將這些函數(shù)列出來，一目了然，不作多余的解釋了。
??
??? 至此，“橋”搭完。
? 接下來在把我們的“數(shù)碼管控制器”加入sopc builder系統(tǒng)中。
??? 現(xiàn)在幾乎所有講nios的書都會提及自定義用戶外設(shè)，而且用的都是altera官方提供的例子PWM，本文的“數(shù)碼管控制器”就是照著它依葫蘆畫瓢改過來 的，呵呵，慚愧慚愧，之所以想改它，一是因?yàn)樗玫氖?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/verilog/" target="_blank">verilog而不是VHDL，而大多數(shù)人先接觸卻是VHDL；二來PWM的顯示效果似乎不太明顯， 改成數(shù)碼管顯示相對比較有成就感；第三，PWM的邏輯稍微有一點(diǎn)點(diǎn)復(fù)雜，我們的重點(diǎn)在于說明怎樣自定義外設(shè)，當(dāng)然例子越簡單越好。
??? 既然是照著PWM原樣改的，所以本文工程的結(jié)構(gòu)與之保持高度一致，將其加入sopc builder的步驟也差不多，這里我就不再碼字了，各位照著書上做吧：
??? 《SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（周立功等著）》第8章……
??? 再接下來，建立一個包含“數(shù)碼管控制器”的nios系統(tǒng)，并編寫應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)從0到9計數(shù)。
??? 貼張官方的nios設(shè)計流程圖，看起來很漂亮是吧，不愧是altera的東西，大而全而不亂。
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?????? 先說最中間的"SOPC Builder"，它的任務(wù)是建立一個“以Nios CPU為核心，以Avalon總線為紐帶，將各種硬件設(shè)備連接起來”的nios系統(tǒng)；這個系統(tǒng)要在FPGA中運(yùn)行，所以必須掛靠一個Quartus II工程，用左邊的Quartus II進(jìn)行分配引腳等等工作，生成硬件系統(tǒng)；接著，右邊的Nios II IDE就可以在這個硬件系統(tǒng)上設(shè)計應(yīng)用程序了；最后將硬件系統(tǒng)和軟件程序分別下載到FPGA芯片上，大功告成。
?????? 下面step by step
?????? <1> Quartus II 新建一個工程名，工程名"DE2_SEG7"。
?????? <2> "Tool" → "SOPC Builder" 打開SOPC Builder。
?????? <3> "System Name": nios2_system?? 選VHDL。
?????? 一個包含“數(shù)碼管控制器”的最小系統(tǒng)至少由3部分組成：CPU必不可少，RAM存儲代碼，還有剛才設(shè)計的"seg7_avalon"。
?????? <4> 加入"Nios II Processor"，選"Nios II/e"，精簡型夠用了。
?????? <5> 加入"On-Chip Memory"，類型選"RAM"，位寬默認(rèn)"32 bits"，"Total Memory"選"48Kbytes"，等會兒軟件要占用四十多K空間。
?????? <6> 加入"seg7_avalon"。
?????? <7> 將這三個組件的名稱改好看點(diǎn)，然后設(shè)定RAM的基地址為"0x00000000"，再右鍵鎖定基地址，如圖：
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?????? 為什么要鎖定RAM的基地址為0呢？點(diǎn)選第二個選項(xiàng)卡，可以看到"Reset Address"對應(yīng)著RAM，系統(tǒng)的復(fù)位肯定要從地址0開始。
??
?????? <8> 由于剛才人為改動了地址分配，弄亂了，讓系統(tǒng)自動再分配一次，當(dāng)然被鎖定的RAM基地址是不會變的。"System" →"Auto-Assign Base Addresses"。最終系統(tǒng)組件列表如下：
??
??? 注意，seg7的地址范圍是"0x00010800"→"0x00010807"，占8個地址，nios系統(tǒng)的地址按字節(jié)分配，也就是說，每個字節(jié)占用一 個地址，數(shù)碼管控制器中定義了兩個寄存器，avalon總線規(guī)定每個寄存器占32位（實(shí)際上是不是32位它就不管了，反正按最大32位分配），這樣兩個寄 存器共占去8個字節(jié)，自然需要8個地址。
?????? <9> 點(diǎn)擊"Generate"生成nios系統(tǒng)，回到Quartus II。
?????? <10> 新建一個頂層文件"File"→"New"→"Block Diagram/Schematic File"，引入nios II系統(tǒng)，增加輸入輸出引腳。然后，"Assignment"→"Import Assignment"，添加引腳分配文件（在DE2光盤目錄下的DE2_tutorialsdesign_files DE2_pin_assignments.csv），改動頂層文件的引腳名稱使其與.csv文件中保持一致。
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?????? <11> 編譯，查看編譯報告，可見，48K的RAM占用了芯片83%的memory bits，差不多耗光了。
??
?????? <12> 硬件部分已經(jīng)搞定，關(guān)掉Quartus II，打開Nios II IDE，切換到工作目錄下。
?????? <13> "File"→"New"→"C/C++ Application"，"SOPC Builder System"選擇"nios2_system.ptf"（就是剛才Generate Nios II系統(tǒng)生成的東東），再選模板"Hello World"（純屬偷懶 ），頂上的"name"改成"seg_example"，"Finish"。
?????? <14> 改動hello_world.c，代碼的功能為：先初始化數(shù)碼管，等待2秒鐘，再進(jìn)行0-9的循環(huán)，循環(huán)過程中穿插2秒鐘的清屏。SEG7_BASE的宏 定義在system.h中，實(shí)際上就是在SOPC Builder中的seg7_avalon的基地址0x00010800。
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?????? <15> "Project"→"Build Project"，得到編譯報告，軟件占用了7K空間……
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?????? <16> 下載到DE2板上，運(yùn)行，數(shù)碼管不停地閃啊閃。
?????? OK，從硬件到軟件的一條龍講完了。