基于FPGA的SOPC設(shè)計(jì)課件(PPT 139頁).ppt

1、1,基于FPGA的SOPC設(shè)計(jì),信息學(xué)院李貞妮,二一三年五月,2,第四章 Nios II 外圍設(shè)備,3,本章介紹了Nios II處理器常用外圍設(shè)備(Peripherals)內(nèi)核的特點(diǎn)、配置以及軟件編程。 這些外設(shè)都是以IP核的形式提供給用戶的，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要把這些IP核集成到Nios II系統(tǒng)中去。 主要介紹： 硬件結(jié)構(gòu)； 內(nèi)核的特性和接口； SOPC Builder中各內(nèi)核的配置選項(xiàng)； 軟件編程。,主要內(nèi)容,4,本章內(nèi)容,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6

2、 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,5,本章內(nèi)容,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,6,4.1 并行

3、輸入/輸出內(nèi)核,并行輸入/輸出內(nèi)核(PIO內(nèi)核)提供Avalon從控制器端口和通用I/O口間的存儲器映射接口。PIO內(nèi)核提供簡單的I/O訪問用戶邏輯或外部設(shè)備，例如： 控制LED 讀取開關(guān)量 控制顯示設(shè)備 配置并且與片外設(shè)備通信,說明： SOPC Builder中提供了PIO內(nèi)核，可以很容易將PIO內(nèi)核集成到SOPC Builder生成的系統(tǒng)中。 通用I/O端口既連接到片內(nèi)邏輯又連接到外部設(shè)備的FPGA I/O管腳。,7,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,PIO內(nèi)核簡介,最多32個I/O端口,CPU 內(nèi)核,寄存器,Nios II 系統(tǒng),Pio31 Pio30 Pio29 Pio3 Pio2 Pio1

4、 Pio0,Pio7 Pio6 Pio5 Pio4 Pio3 Pio2 Pio1 Pio0,端口數(shù)可設(shè)置,每個Avalon接口的PIO內(nèi)核可提供32個I/O端口且端口數(shù)可設(shè)置，用戶可以添加一個或多個PIO內(nèi)核。CPU通過I/O寄存器控制I/O端口的行為。I/O口可以配置為輸入、輸出和三態(tài)，還可以用來檢測電平事件和邊沿事件。,CPU通過寄存器控制I/O端口行為,PIO內(nèi)核結(jié)構(gòu)框圖,8,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,PIO內(nèi)核寄存器描述,注： 該寄存器是否存在取決于硬件的配置。如果該寄存器不存在，那么讀寄存器將返回未定義的值，寫寄存器無效。 寫任意值到邊沿捕獲寄存器將清除所有位為0。,“ 該寄存器是

5、否存在取決于硬件的配置。如果該寄存器不存在，那么讀寄存器將返回未定義的值，寫寄存器無效?！?9,PIO內(nèi)核寄存器描述 數(shù)據(jù)寄存器： 讀數(shù)據(jù)寄存器：返回在輸入引腳上出現(xiàn)的值。如果PIO內(nèi)核硬件配置為：“Output ports only”，則讀數(shù)據(jù)寄存器返回未定義的值。 寫數(shù)據(jù)寄存器：驅(qū)動輸出口輸出寫入的值。如果PIO內(nèi)核硬件配置為：“Input ports only”，則寫數(shù)據(jù)寄存器無效。如果PIO內(nèi)核配置在雙向模式下，那么方向寄存器中對應(yīng)為設(shè)為1時，值才輸出。,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,10,PIO內(nèi)核寄存器描述 方向寄存器： 只有PIO工作模式配置為“Bidirectional port

6、s”時，方向寄存器才存在。 PIO工作模式在添加PIO內(nèi)核時指定，且在系統(tǒng)生成后不能改變。 方向寄存器控制每個PIO口的數(shù)據(jù)方向。當(dāng)方向寄存器中的位n設(shè)為1時，端口n為輸出模式；0時，端口n為輸入模式。 復(fù)位后，方向寄存器的所有位設(shè)置為0，所有的雙向I/O口配置為輸入。,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,11,PIO內(nèi)核寄存器描述 中斷屏蔽寄存器： 當(dāng)中斷屏蔽寄存器的位設(shè)為1時，使能相對應(yīng)的PIO輸入口中斷。 中斷操作取決于PIO內(nèi)核的硬件配置，只有配置為輸入口時才能進(jìn)行中斷操作。 中斷屏蔽寄存器只有在硬件配置為“Generate IRQ”時才存在。 復(fù)位后，中斷屏蔽寄存器所有位為0，禁止所有PIO

7、口的中斷。,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,12,PIO內(nèi)核寄存器描述 邊沿捕獲寄存器： 只要在輸入口上檢測到邊沿事件時，邊沿捕獲寄存器（Edgecapture）中對應(yīng)位n置1。 Avalon主控制器可讀邊沿捕獲寄存器來確定邊沿在哪一個PIO輸入口出現(xiàn)。 寫任意值到邊沿捕獲寄存器將使寄存器所有位清0. 要檢測的類型在PIO添加時指定。,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,13,PIO內(nèi)核寄存器描述 中斷操作： 當(dāng)硬件配置為電平觸發(fā)方式時，只要高電平出現(xiàn)并且中斷使能，就申請一個中斷。當(dāng)硬件配置為邊沿觸發(fā)方式時，只要捕獲到邊沿事件并且中斷使能時，就申請一個中斷。 中斷IRQ一直保持有效直到禁止中斷（中斷屏蔽寄

8、存器相應(yīng)位清0）或清邊沿捕獲標(biāo)志（向邊沿捕獲寄存器寫一個任意值）為止。 每個PIO核的I/O口共用一個中斷號（系統(tǒng)生成時指定），用戶需要在中斷服務(wù)子程序中通過中斷掩碼的方式來查明是哪個I/O口產(chǎn)生了中斷。,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,14,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,雙擊, PIO 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),15,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核, PIO 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),Basic Settings 選項(xiàng)卡,I/O口寬度：可設(shè)置為132的任何整數(shù)值。,16,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核, PIO 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),Basic Settings 選項(xiàng)卡,17,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,

9、PIO 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),Input Options 選項(xiàng)卡,邊沿捕獲寄存器,中斷寄存器,Rising Edge：上升沿 Falling Edge：下降沿 Either Edge： 上升或下降沿,Level：輸入為高電平且中斷使能，則PIO內(nèi)核產(chǎn)生一個IRQ。 Edge：邊沿捕獲寄存器相應(yīng)位為1且中斷使能，則PIO內(nèi)核產(chǎn)生一個IRQ。,說明：當(dāng)指定類型的邊沿在輸入端口出現(xiàn)時，邊沿捕獲寄存器對應(yīng)位置1。,說明：中斷只有高電平中斷，如果希望低電平時中斷，則需在該I/O輸入引腳前加一個“非”門。,18,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核, PIO 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),Simulation 選項(xiàng)卡,

10、當(dāng)需要對外進(jìn)行仿真時，要設(shè)置simulation選項(xiàng)卡。,19,4.1 并行輸入/輸出內(nèi)核,軟件編程,PIO內(nèi)核提供了對硬件進(jìn)行寄存器級訪問的文件。,該文件定義了內(nèi)核的寄存器映射并提供硬件設(shè)備訪問宏定義。設(shè)備驅(qū)動程序使用該文件中的宏定義訪問硬件。 可通過閱讀上述文件以熟悉PIO設(shè)備的軟件訪問方法，但不應(yīng)該修改文件。,20,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalo

11、n接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,21,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,SDRAM控制器內(nèi)核概述 SDRAM控制器內(nèi)核提供一個連接片外SDRAM芯片的Avalon接口，并可以同時連接多個SDRAM芯片 通常用于需要大量易失性存儲器且成本要求高的應(yīng)用系統(tǒng)。 SDRAM便宜，但需要實(shí)現(xiàn)刷新操作，行列管理，不同延遲和命令序列等邏輯。 SDRAM控制器內(nèi)核提供了連接一個或多個SDRAM芯片的接口，并處理所有SDRAM協(xié)議要求。,22,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,SDRAM控制器內(nèi)核概述 SDRAM控制器內(nèi)核具有不同數(shù)據(jù)寬度(8、16、

12、32或64位)、不同內(nèi)存容量和多片選擇等設(shè)置。 SDRAM控制器可選擇與其他的片外Avalon三態(tài)器件共用地址和數(shù)據(jù)總線，該特性在I/O引腳資源緊張的系統(tǒng)中很有用。 SDRAM芯片必須和Avalon接口一樣以相同的時鐘驅(qū)動。利用片內(nèi)PLL來調(diào)整SDRAM控制器內(nèi)核與SDRAM芯片之間的時鐘相位差。,23,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,24,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,SDRAM控制器內(nèi)核概述,PPL(片內(nèi)鎖相環(huán))：通常用于調(diào)整SDRAM控制器內(nèi)核與SDRAM芯片之間的相位差。 Avalon三態(tài)橋：SDRAM控制器可與現(xiàn)有三態(tài)橋共用引腳，這用能減少I/O引腳使用，但將降低性能。 fMAX(最高

13、時鐘頻率)：目標(biāo)FPGA的系列和整個硬件設(shè)計(jì)都會影響硬件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的最高時鐘頻率。,25,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核, SDRAM 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),可直接選擇預(yù)定義的SDRAM芯片型號，對話框?qū)⒆詣痈淖兿旅鎯蓚€選項(xiàng)卡的值來匹配指定配置。,Memory Profile ： 用于指定SDRAM的結(jié)構(gòu)。 例如地址和數(shù)據(jù)線寬度，片選信號的數(shù)目和區(qū)的數(shù)目等。,26,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,數(shù)據(jù)寬度 允許值：8、16、32、64 默認(rèn)值：32 描述：該值確定dq總線(數(shù)據(jù))和dqm總線(字節(jié)使能)的寬度。具體數(shù)值請查閱SDRAM數(shù)據(jù)手冊。,27,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,結(jié)構(gòu)設(shè)置片選

14、允許值：1、2、4、8 默認(rèn)值：1 描述：獨(dú)立芯片的數(shù)目在SDRAM子系統(tǒng)中選擇。通過使用多個片選信號，SDRAM控制器可組合多個SDRAM芯片為一個存儲器子系統(tǒng)。,28,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,結(jié)構(gòu)設(shè)置區(qū) 允許值：2、4 默認(rèn)值：4 描述：區(qū)的數(shù)目,該值確定連接到SDRAM的ba總線（區(qū)地址）寬度。具體數(shù)值請查閱SDRAM數(shù)據(jù)手冊。,29,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,地址寬度設(shè)計(jì)行 允許值：11、12、13、14 默認(rèn)值：12 描述：行地址位的數(shù)目。該值確定addr總線的寬度。具體數(shù)值請查閱SDRAM數(shù)據(jù)手冊。,30,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,地址寬度設(shè)計(jì)列 允許值：=8，且小于

15、行的值 默認(rèn)值：8 描述：列地址位的數(shù)目。例如，SDRAM排列為4096行、512(29)列，所以列的值為9。具體數(shù)值請查閱SDRAM數(shù)據(jù)手冊。,31,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,通過三態(tài)橋共用管腳 允許值：是、否 默認(rèn)值：否 描述：當(dāng)設(shè)為No時，所有管腳都專用于SDRAM芯片。當(dāng)設(shè)為Yes時，addr,dq和dqm管腳在系統(tǒng)內(nèi)可與三態(tài)橋共享。,32,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,當(dāng)控制器與其他三態(tài)器件共用引腳時，平均訪問時間通常增加而帶寬減少。 當(dāng)其他器件訪問三態(tài)橋時，SDRAM要求行開啟和結(jié)束開銷周期。 SDRAM控制器必須在再次授權(quán)訪問之前連續(xù)等待幾個時鐘周期。 為了使帶寬最大化，只要

16、緊接的讀或?qū)懖僮髟谙嗤泻蛥^(qū)內(nèi)連續(xù)，SDRAM控制器就自動保留三態(tài)橋的控制。 只要在緊接操作中出現(xiàn)間隔，或需要一個刷新操作時，SDRAM控制器才關(guān)閉一個行列，因此控制器不能永久阻止訪問其他共用三太橋的器件。,33,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,包括系統(tǒng)測試臺的功能存儲模塊 允許值：是、否 默認(rèn)值：是 描述：當(dāng)打開選項(xiàng)時，SOPC Builder創(chuàng)建SDRAM芯片的功能仿真模型。該默認(rèn)的存儲器模型加速創(chuàng)建的過程和檢驗(yàn)使用SDRAM控制器的系統(tǒng)。,34,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,消息框 顯示SDRAM期望的內(nèi)存容量，以兆字節(jié)，兆位以及可尋址的字?jǐn)?shù)為單位。 將這些期望值與選擇的SDRAM的實(shí)際大

17、小相比較可以檢驗(yàn)設(shè)置是否正確。,35,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核, SDRAM 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),Timing ： 根據(jù)在SDRAM芯片數(shù)據(jù)手冊中提供的參數(shù)來設(shè)置芯片的時序規(guī)范,36,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,CAS等待時間 允許值：1、2、3 默認(rèn)值：3 描述：從讀命令到數(shù)據(jù)輸出的等待時間（以時鐘周期計(jì)算）。,37,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,初始化刷新周期 允許值：1-8 默認(rèn)值：2 描述：復(fù)位后，該值指定SDRAM控制器將執(zhí)行多少個刷新周期作為初始化序列的一部分。,38,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,每隔一段時間執(zhí)行一個刷新命令 允許值：- 默認(rèn)值：15.625us 描述：

18、該值指定SDRAM控制器多久刷新一次SDRAM。典型的SDRAM每64ms需要4,096刷新命令，通過每64ms/4,096=15.625us執(zhí)行一個刷新命令來符合這個要求。,39,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,在初始化前、上電后延時 允許值：- 默認(rèn)值：100us 描述：從穩(wěn)定的時鐘和電源到SDRAM初始化的延時。,40,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,刷新命令(t_rfc)的持續(xù)時間 允許值：- 默認(rèn)值：70ns 描述：自動刷新周期。,41,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,預(yù)充電命令(t_rp)的持續(xù)時間 允許值：- 默認(rèn)值：20ns 描述：預(yù)充電命令周期。,42,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核

19、,ACTIVE到READ或WRITE延時 允許值：- 默認(rèn)值：20ns 描述：ACTIVE到READ或WRITE延時。,43,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,訪問時間(t_ac) 允許值：- 默認(rèn)值：5.5ns 描述：時鐘邊沿的訪問時間。該值由CAS的等待時間決定。,44,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,寫恢復(fù)時間(t_wr,無自動預(yù)充電) 允許值：- 默認(rèn)值：14ns 描述：如果執(zhí)行了明確的預(yù)充電命令，寫恢復(fù)。該SDRAM控制器總是執(zhí)行明確的預(yù)充電命令。,45,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,Timing選型卡 無論用戶輸入的精確時序值如何，每個參數(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)際時序?qū)锳valon時鐘的整數(shù)倍。對于

20、每隔一段時間執(zhí)行一個刷新命令的參數(shù)，實(shí)際時序?qū)⒉怀瞿繕?biāo)值。對于其他所有參數(shù)，實(shí)際時序?qū)⒋笥诨虻扔谀繕?biāo)值。,46,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,軟件編程 當(dāng)通過Avalon接口訪問時，SDRAM控制器操作起來像簡單的SRAM存儲器，沒有可配置的軟件設(shè)置，沒有存儲器映射的寄存器。處理器訪問SDRAM控制器不需要軟件驅(qū)動程序。,47,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,SDRAM應(yīng)用,一個帶32位數(shù)據(jù)總線的128Mbit SDRAM芯片,48,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,SDRAM應(yīng)用,兩個帶16位數(shù)據(jù)總線的64Mbit SDRAM芯片,結(jié)果為：一個128M位，數(shù)據(jù)總線寬度為32位的存儲器,49,4.

21、2 SDRAM控制器內(nèi)核,SDRAM應(yīng)用,兩個帶32位數(shù)據(jù)總線的128Mbit SDRAM芯片,結(jié)果為：一個256M位，數(shù)據(jù)總線寬度為32位的存儲器,50,4.2 SDRAM控制器內(nèi)核,SDRAM應(yīng)用,51,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,52,4.3

22、CFI控制器內(nèi)核,CFI控制器內(nèi)核綜述 對于Nios II處理器，Altera為CFI控制器提供硬件抽象層(HAL)驅(qū)動程序。驅(qū)動程序提供了遵循CFI接口規(guī)范的Flash存儲器的通用訪問函數(shù)。因此，用戶不需要寫任何代碼就可以訪問遵循CFI接口規(guī)范的Flash器件。 NIOSII開發(fā)套件提供一個基于NIOSII處理器和CFI控制器的下載程序Flash Programmer，可以用來將程序下載到任何連接到Altera FPGA的遵循CFI的Flash存儲器中。,53,4.3 CFI控制器內(nèi)核,CFI控制器內(nèi)核綜述,CFI控制器框圖,54,4.3 CFI控制器內(nèi)核, CFI 控 制 器 內(nèi) 核 設(shè)

23、置,CFI控制器框圖,Attributes ： 用于完成Presets、size 和 Board Info這3個選項(xiàng)的設(shè)定。,Presets ： 選擇預(yù)設(shè)好的CFI Flash。 當(dāng)選定某個芯片型號，該CFI控制器的所有設(shè)置都會相應(yīng)更新。,Size ： 地址寬度：Flash地址總線寬度。 數(shù)據(jù)寬度：Flash數(shù)據(jù)總線寬度。 大小設(shè)置使SOPC Builder為Flash器件分配正確的地址空間。,Board Info ： 該設(shè)置與NIOSII IDE中集成的Flash Programmer相關(guān)。 用于映射CFI控制器目標(biāo)系統(tǒng)板元件的已知芯片。,55,4.3 CFI控制器內(nèi)核, CFI 控 制 器

24、 內(nèi) 核 設(shè) 置,CFI控制器框圖,Timing： 用于完成時序設(shè)置，包括建立時間、等待周期、保持時間等。,Setup：chipselect有效后，read或write信號有效前所需的時間。 Wait：每次數(shù)據(jù)傳輸過程中，read或write信號需要保持的時間。 Hold：write信號無效后，chipselect信號無效前所需要的時間。 Units：用于Setup、Wait和Hold值的時間單位，可以是ns、us、ms和時鐘周期。,56,軟件編程 Avalon主控制器可以直接讀Flash芯片。對于Nios II處理器用戶，Altera提供HAL系統(tǒng)庫驅(qū)動程序和API函數(shù)來支持對Flash存儲

25、器的擦除和寫操作。 當(dāng)前，Altera提供的CFI控制器驅(qū)動程序僅支持AMD和Intel的Flash芯片。,4.3 CFI控制器內(nèi)核,57,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,58,4.4 EPCS控制器內(nèi)核,EPCS控制器內(nèi)核綜述 Altera EPCS

26、串行配置器件：可用于存儲程序代碼、非易失性程序數(shù)據(jù)和FPGA配置數(shù)據(jù)。 帶Avalon接口的EPCS設(shè)備控制器內(nèi)核（“EPCS控制器”）允許NiosII系統(tǒng)訪問Altera EPCS串行配置器件。 Altera提供集成到NiosII硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫的驅(qū)動程序，允許用戶使用HAL應(yīng)用程序接口(API)來讀取和編寫EPCS器件。,59,4.4 EPCS控制器內(nèi)核,EPCS控制器可用于： 在EPCS器件中存儲程序代碼：EPCS控制器自帶Boot-loader代碼，允許用戶在EPCS器件中存儲程序代碼。 存儲非易失性數(shù)據(jù)：例如串行號，NIC號和其他需要長久儲存的數(shù)據(jù)。 管理FPGA配置數(shù)據(jù)：

27、EPCS可存儲FPGA的配置數(shù)據(jù)，并在上電時自動完成對FPGA的配置。具有網(wǎng)絡(luò)接口的嵌入式系統(tǒng)可從網(wǎng)上接收新的FPGA配置數(shù)據(jù)，并通過EPCS控制器將新的配置數(shù)據(jù)下載到EPCS串行配置器件中。,60,4.4 EPCS控制器內(nèi)核,EPCS控制器內(nèi)核綜述,EPCS控制器結(jié)構(gòu)框圖,Boot-Loader,ROM,EPCS控制器,配置存,儲空間,通用存,儲空間,EPCS配置器件,Avalon,總線,NiosII,CPU,片內(nèi)外設(shè),Altera FPGA,存儲FPGA配置數(shù)據(jù),剩余空間可用于存儲用戶非易失性數(shù)據(jù)。,1KB的片內(nèi)存儲器,61,4.4 EPCS控制器內(nèi)核,EPCS控制器內(nèi)核綜述： NIOSI

28、I處理器可設(shè)置成從EPCS控制器開始引導(dǎo)。在這種情況下，復(fù)位CPU后首先執(zhí)行引導(dǎo)EPCS控制器的Boot-loader ROM中的代碼，從EPCS通用內(nèi)存區(qū)域復(fù)制數(shù)據(jù)到RAM。啟動代碼無須編寫，由NIOSII IDE自動生成。 Altera EPCS配置器件與FPGA上特定的引腳相連，EPCS控制器內(nèi)核在高層SOPC Builder模塊不會產(chǎn)生I/O口。EPCS控制器內(nèi)核信號自動連接到EPCS器件的引腳上。 每個FPGA設(shè)計(jì)只能添加一個EPCS控制器。,62,4.4 EPCS控制器內(nèi)核,軟件編程 Altera提供的HAL Flash設(shè)備驅(qū)動程序已經(jīng)完全屏蔽了Flash的硬件訪問細(xì)節(jié)，訪問EPC

29、S Flash的軟件編程和訪問CFI Flash的軟件編程完全一樣。 EPCS控制器提供了硬件的底層接口和HAL驅(qū)動程序。,63,4.4 EPCS控制器內(nèi)核,軟件編程 定義集成到HAL系統(tǒng)庫所需的驅(qū)動程序的頭文件和源文件。,通過直接控制EPCS設(shè)備來進(jìn)行讀寫操作的頭文件和源文件。,64,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Ava

30、lon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,65,4.5 定時器內(nèi)核,定時器是一個重要的外圍設(shè)備。 它可以作為周期性時鐘源； 也可以作為一個定時器，測定時間發(fā)生的時間； 還可以對外輸出周期性脈沖，或作為一條監(jiān)管系統(tǒng)正常運(yùn)行的watchdog,66,4.5 定時器內(nèi)核,定時器內(nèi)核綜述 定時器是掛載在Avanlon總線上的32位定時器，特性如下： 兩種計(jì)數(shù)模式：單次減1和連續(xù)減1計(jì)數(shù)模式(軟件設(shè)置) 定時器到達(dá)0時產(chǎn)生中斷請求(IRQ)； 可選擇設(shè)定為看門狗定時器，計(jì)算到達(dá)0時復(fù)位系統(tǒng)； 可選擇輸出周期性脈沖，在定時器計(jì)算到達(dá)0時輸出脈沖； 可由軟件啟動、停止或復(fù)位定時器；

31、可由軟件使能或屏蔽定時器中斷。,67,4.5 定時器內(nèi)核,定時器內(nèi)核綜述,定時器內(nèi)核結(jié)構(gòu)框圖,Status,Control,Periodh,Periodl,Snaph,Snapl,控制,邏輯,計(jì)數(shù)器,寄存器文件,Timeout pulse,IRQ,Reset,數(shù)據(jù)總線,地址總線,（看門狗）,Avanlon,總線從機(jī),接口到內(nèi),核邏輯,提供狀態(tài)信息和控制信息,68,4.5 定時器內(nèi)核,定時器可進(jìn)行的基本操作如下所述： Avalon主控制器通過對控制寄存器執(zhí)行不同的寫操作來控制： 啟動和停止定時器 使能/禁能IRQ 指定單次減1計(jì)數(shù)或連續(xù)減1計(jì)數(shù)模式 處理器讀狀態(tài)寄存器獲取當(dāng)前定時器的運(yùn)行信息。

32、處理器可通過寫數(shù)據(jù)到periodl和periodh寄存器來設(shè)定定時器周期。,69,4.5 定時器內(nèi)核,定時器可進(jìn)行的基本操作如下所述： 內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)減到0，立即從周期寄存器開始重新裝載。 處理器可以通過寫snapl或snaph獲取計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。 當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到達(dá)0時： 如果IRQ被使能，則產(chǎn)生一個IRQ （可選的）脈沖發(fā)生器輸出有效持續(xù)一個時鐘周期 （可選的）看門狗輸出復(fù)位系統(tǒng),70,4.5 定時器內(nèi)核,定時器寄存器描述,EPCS控制器結(jié)構(gòu)框圖,RUN,TO,STOP,START,CONT,ITO,periodl,Periodh,snapl,snaph,注：*表示該位保留，讀取值未定義。,

33、71,4.5 定時器內(nèi)核-定時器寄存器描述,1.狀態(tài)寄存器：,72,2.控制寄存器：,4.5 定時器內(nèi)核-定時器寄存器描述,73,3.periodl&periodh寄存器：,存儲超時周期的計(jì)數(shù)值。當(dāng)以下任意情況發(fā)生時，保存在該寄存器中的32位值會裝載到內(nèi)部計(jì)數(shù)器中。 對periodl或periodh寄存器進(jìn)行寫操作； 內(nèi)部計(jì)數(shù)器減到0 定時器實(shí)際周期是periol和periodh寄存器的值加1，因?yàn)閮?nèi)部計(jì)數(shù)器減到0時，也需要一個時鐘周期。,4.5 定時器內(nèi)核-定時器寄存器描述,74,4.snapl&snaph寄存器：,可通過對snapl或snaph寄存器的寫操作（寫數(shù)據(jù)任意）來獲得32位內(nèi)部計(jì)

34、數(shù)器的當(dāng)前值。 當(dāng)對snapl或snaph執(zhí)行寫操作時，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值會被復(fù)制到snapl和snaph中，不管計(jì)數(shù)器是否正在運(yùn)行，這個過程都會執(zhí)行，并且不改變內(nèi)部計(jì)數(shù)器的運(yùn)行狀態(tài)。,4.5 定時器內(nèi)核-定時器寄存器描述,75,中斷操作： 只要內(nèi)部計(jì)數(shù)器減到0且控制寄存器的ITO位為1，定時器內(nèi)核就會產(chǎn)生IRQ。 用戶要用以下的任意一種方式應(yīng)答IRQ： 清除狀態(tài)寄存的TO位，等待下一個超時事件的發(fā)生； 通過將控制寄存器的ITO位清零來禁止中斷。,4.5 定時器內(nèi)核-定時器寄存器描述,76,4.5 定時器內(nèi)核, 定 時 器 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),CFI控制器框圖,Initial period：

35、用于預(yù)設(shè)硬件生成后的定時器周期，即perodl和periodh寄存器的值。如果不用軟件更改的話，那么定時器將按照這個周期產(chǎn)生timeout事件。,77,4.5 定時器內(nèi)核, 定 時 器 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),CFI控制器框圖,Preset Configurations： 可選擇的預(yù)定義的硬件配置。 簡單周期中斷：用于僅要求周期性IRQ發(fā)生器的系統(tǒng)。固定周期且不能停止定時器，但可以禁止IRQ。 完整特性：用于產(chǎn)生一個具有可變周期的完整特性的定時器，可以在處理器控制下啟動和停止該定時器。 看門狗：用于需要看門狗的定時器系統(tǒng)，以便在系統(tǒng)已經(jīng)停止響應(yīng)的情況下復(fù)位系統(tǒng)。,78,4.5 定時器內(nèi)核, 定

36、 時 器 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng),CFI控制器框圖,Writeable period： 使能：主控制器可通過寫period而改變向下計(jì)數(shù)周期。 禁能：向下計(jì)數(shù)周期由Timeout Period確定，且period寄存器不在硬件中存在。,Readable snapshot： 使能：主控制器可讀當(dāng)前向下計(jì)數(shù)器的值。 禁能：計(jì)數(shù)器的狀態(tài)僅通過狀態(tài)寄存器或IRQ信號來檢測。Snap寄存器不在硬件中存在。,Start/Stop control bits： 使能：主控制可通過寫START和STOP位來啟動和停止定時器。 禁能：定時器連續(xù)運(yùn)行。,79,4.5 定時器內(nèi)核, 定 時 器 內(nèi) 核 配 置 選 項(xiàng)

37、,CFI控制器框圖,Timeout pulse： 使能：定時器到0時，timeout_pulse輸出一個時鐘周期的高電平。 禁能：timeout_out信號不存在。,System reset on timeout： 使能： 定時器到0時， resetrequest信號輸出一個時鐘周期的高電平使系統(tǒng)復(fù)位。 禁能： resetrequest信號不存在。,80,4.5 定時器內(nèi)核,軟件編程 Altera為NiosII處理器用戶提供硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫驅(qū)動程序，允許用戶使用HAL應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)來訪問定時器內(nèi)核。 HAL系統(tǒng)庫支持 系統(tǒng)時鐘驅(qū)動程序 時間標(biāo)記驅(qū)動程序 軟件文件,81,4

38、.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,82,4.6 UART內(nèi)核,UART（通用異步接收器/發(fā)送器）是一個常用的字符型外圍設(shè)備 NIOS II系統(tǒng)可以集成兩種UART內(nèi)核 JTAG-UART：其數(shù)據(jù)通過JTAG通訊端口與PC機(jī)進(jìn)行交互，一邊用于程序調(diào)試； UAR

39、T：其數(shù)據(jù)以RS232協(xié)議的形式與外界進(jìn)行交互,83,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述 UART內(nèi)核（通用異步接收器/發(fā)送器內(nèi)核）執(zhí)行RS-232協(xié)議時序，并提供可調(diào)整的波特率。 用戶可配置奇偶校驗(yàn)位、停止位和數(shù)據(jù)位，以及可選的RTS/CTS流控制信號。 內(nèi)核提供一個簡單的Avalon從控制器接口，該接口允許Avalon主控制器（例如NiosII處理器）通過讀寫寄存器與UART內(nèi)核進(jìn)行通訊。,84,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述,UART內(nèi)核的結(jié)構(gòu)框圖,用戶可見部分為6個寄存器及外引的四根RS-232接口信號線。,RTS 請求發(fā)送 CTS 允許發(fā)送 TXD 發(fā)送數(shù)據(jù) RXD 接收

40、數(shù)據(jù),85,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述 RS-232接口 發(fā)送邏輯 接收邏輯 波特率生成,86,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述 RS-232接口： UART內(nèi)核執(zhí)行RS232異步發(fā)送和接收邏輯。UART內(nèi)核通過TXD和RXD端口發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。 大部分Altera FPGA系列上的I/O引腳不遵循RS232電壓電平規(guī)范，如果通過RS232連接器的信號直接與FPGA相連，可能會損害器件。 解決辦法：在FPGA I/O管腳和外部的RS232連接器之間加入一個外部的電壓轉(zhuǎn)換緩沖器，例如Maxim MAX 3237.,87,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述 2.發(fā)送邏輯：

41、 UART發(fā)送器包括7/8/9位發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（Txdata）和相應(yīng)的7/8/9位發(fā)送移位寄存器。 Avalon主控制器通過Avalon從控制器端口寫發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器。 在當(dāng)前不進(jìn)行串行移位操作時，發(fā)送移位寄存器自動從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器裝入數(shù)據(jù)。 發(fā)送移位寄存器直接連接到TXD輸出。數(shù)據(jù)最低有效位先從TXD移出。,88,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述 2.發(fā)送邏輯： 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送移位寄存器提供雙重緩沖。 主控制器可以在前一個字符正在移動時將新數(shù)值寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，并可通過讀出狀態(tài)寄存器的TRDY位，發(fā)送移位寄存器的空TMT位和發(fā)送溢出錯誤TOE位監(jiān)視發(fā)送器的狀態(tài)。 發(fā)送邏輯根據(jù)RS

42、232規(guī)范在串行TXD數(shù)據(jù)流中自動插入數(shù)量正確的起始位，校驗(yàn)位和停止位。,89,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述 3. 接收邏輯： UART接收器包括7/8/9位接收數(shù)據(jù)寄存器（Rxdata）和相應(yīng)的7/8/9位接收移位寄存器。 Avalon主控制器通過Avalon從控制器端口讀接收數(shù)據(jù)寄存器。 每當(dāng)新字符完全接收后，接收數(shù)據(jù)寄存器自動從接收移位寄存器裝入數(shù)據(jù)。 接收移位寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器提供雙重緩沖。,90,4.6 UART內(nèi)核,UART內(nèi)核綜述 4. 波特率生成： UART內(nèi)核的內(nèi)部波特率時鐘來源于Avalon時鐘輸入。 內(nèi)部波特率時鐘通過時鐘分頻器生成。,91,4.6 UART

43、內(nèi)核,UART內(nèi)核的寄存器描述,UART內(nèi)核寄存器映射,發(fā)送數(shù)據(jù)(txdata),接收數(shù)據(jù) (rxdata),狀態(tài)(status),控制(control),除數(shù)(divisor) ,數(shù)據(jù)包結(jié)束符 (endopacket) ,92,4.6 UART內(nèi)核, UART 內(nèi) 核 配 置 頁,Baud Rate：波特率設(shè)置 確定復(fù)位后的默認(rèn)波特率。,數(shù)據(jù)位設(shè)置 數(shù)據(jù)位：該設(shè)置確定發(fā)送寄存器，接收寄存器和數(shù)據(jù)包結(jié)束符寄存器的寬度； 停止位：該設(shè)置確定內(nèi)核在每個字符后發(fā)送1個還是2個停止位。 奇偶校驗(yàn)：確定UART是否發(fā)送帶奇偶校驗(yàn)的字符。,流控制 UART包含相應(yīng)的硬件。 基于這些硬件，Avalon主控制

44、器可檢測CTS和發(fā)送RTS流控制信號。,流數(shù)據(jù)控制 允許Avalon主控制器當(dāng)且僅當(dāng)UART內(nèi)核可接收新字符時寫數(shù)據(jù)，UART內(nèi)核有可用數(shù)據(jù)時讀數(shù)據(jù)。,93,4.6 UART內(nèi)核,軟件編程 HAL系統(tǒng)支持 驅(qū)動程序選項(xiàng) ioctl()操作 軟件文件,94,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12

45、System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,95,4.7 JTAG_UART內(nèi)核,JTAG_UART內(nèi)核綜述 帶Avalon接口的JTAG UART設(shè)備實(shí)現(xiàn)PC和NIOSII系統(tǒng)間的串行通信。 與UART不同之處：JTAG UART是通過JTAG接口來傳輸數(shù)據(jù)的。 JTAG UART內(nèi)核通過Avalon從控制器接口連接到Avalon總線。JTAG UART內(nèi)核包含2個32位寄存器（數(shù)據(jù)和控制），它們可通過Avalon從控制器端口進(jìn)行存取。 Avalon主控制器訪問寄存器來控制內(nèi)核并在JTAG連接上傳輸數(shù)據(jù)。JTAG UART內(nèi)核提供高電平有效的中斷輸出，該輸出在讀FIFO幾乎為滿或?qū)慒IFO幾乎為空時申

46、請一個中斷。 有讀寫FIFO也是JTAG UART內(nèi)核與UART內(nèi)核的不同點(diǎn)之一。FIFO可以改善JTAG連接的帶寬。FIFO深度可由用戶設(shè)置。,96,4.7 JTAG_UART內(nèi)核,JTAG_UART內(nèi)核綜述,UART內(nèi)核寄存器映射,97,4.7 JTAG_UART內(nèi)核,JTAG_UART的寄存器描述,UART內(nèi)核寄存器映射,數(shù)據(jù),控制,98,4.7 JTAG_UART內(nèi)核, JTAG- UART 配 置 選 項(xiàng) 卡,JATG_UART配置選項(xiàng)卡,Write FIFO： 寫FIFO設(shè)置,Read FIFO： 讀FIFO設(shè)置,99,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器

47、內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,100,4.8 SPI內(nèi)核,SPI內(nèi)核綜述 SPI：嵌入式系統(tǒng)常用的標(biāo)準(zhǔn)串行接口。 SPI內(nèi)核可執(zhí)行主控制器或從控制器協(xié)議。 當(dāng)配置為主控制器時，SPI內(nèi)核可控制多達(dá)16個獨(dú)立的SPI從控制器。接收和發(fā)送寄存器的寬度在116位之間配置。 SPI內(nèi)核提供一個中斷輸出，只要傳輸結(jié)束，該輸

48、出就可標(biāo)記一個中斷。,101,4.8 SPI內(nèi)核,SPI內(nèi)核綜述,SPI內(nèi)核框圖,SPI發(fā)送邏輯,SPI接收邏輯,102,4.8 SPI內(nèi)核,SPI內(nèi)核綜述,SPI內(nèi)核框圖,主控制器模式端口配置,103,4.8 SPI內(nèi)核,SPI內(nèi)核綜述,SPI內(nèi)核框圖,從控制器模式端口配置,104,4.8 SPI內(nèi)核,SPI內(nèi)核的寄存器描述,UART內(nèi)核寄存器映射,txdat,status,control,保留,slaveselect,rxdata,接收數(shù)據(jù)寄存器,發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器,狀態(tài)寄存器,控制寄存器,從控制器選擇寄存器,105,4.8 SPI內(nèi)核, SPI 配 置 選 項(xiàng) 卡,SPI配置選項(xiàng)卡,Mast

49、er&Slave： 主控制器/從控制器設(shè)置,Generate Select Signals： 通用選擇信號 指定SPI控制器將連接的從控制器數(shù)量。（116）,SPI Clock Rate： SPI時鐘率 確定在主控制器和從控制器之間的SCLK信號。,Specify Delay： 指定延時,Data Register： 數(shù)據(jù)寄存器設(shè)置：影響 SPI內(nèi)核中數(shù)據(jù)寄存器的大小和操作。,Timing： 時序設(shè)置 時鐘極性：當(dāng)時鐘極性為0時，SCLK的空閑狀態(tài)為低電平 時鐘相位：當(dāng)時鐘相位為0時，在SCLK的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，在SCLK的下降沿輸出數(shù)據(jù)。,Waveforms： 波形顯示,106,4.8 SP

50、I內(nèi)核,軟件編程 Altera提供一個訪問SPI的函數(shù)alt_avalon_spi_command(),該函數(shù)為配置生成主控制器的SPI內(nèi)核提供通用訪問。,107,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,108,4.9 DMA內(nèi)核,DMA綜述 在實(shí)際應(yīng)用中，需要

51、在兩個存儲器之間或外設(shè)與存儲器之間頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲操作。這些操作如果通過CPU來進(jìn)行，會耗費(fèi)大量的CPU時間。整個操作過程不需要任何的算術(shù)邏輯運(yùn)算，完全不需要CPU的干預(yù)。在這種情況下，就可以使用DMA（直接存儲訪問,direct memory access） 對I/O設(shè)備的訪問除了有軟件控制的查詢式和中斷式，還有由硬件控制的DMA方式。在DMA數(shù)據(jù)傳輸方式下，DMA控制器接管了總線的控制權(quán)，并以中斷的方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。,109,4.9 DMA內(nèi)核,DMA內(nèi)核綜述 帶Avalon接口的直接存儲器存取控制器（DMA控制器）替代Avalon主控制器執(zhí)行儲存器對儲存器或者儲存器與IO

52、設(shè)備間的批量數(shù)據(jù)傳輸。 當(dāng)DMA控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時，主控制器可自由執(zhí)行其它并行的任務(wù)。,110,4.9 DMA內(nèi)核,DMA內(nèi)核綜述 DMA控制器將數(shù)據(jù)從源地址空間傳輸?shù)侥康牡刂房臻g。 數(shù)據(jù)源或者目的地可以是Avalon從控制器外設(shè)（一個固定地址）或存儲器中的一段地址范圍 DMA控制器具有連續(xù)數(shù)據(jù)流的處理能力，允許固定或可變長度的數(shù)據(jù)傳輸。 當(dāng)DMA操作結(jié)束時，DMA控制器發(fā)出一個中斷請求IRQ； DMA控制器有兩個Avalon主控制器端口（主控制器讀端口和主控制器寫端口）和一個用于控制DMA的Avalon從控制器端口。,111,4.9 DMA內(nèi)核,DMA內(nèi)核綜述,DMA控制器結(jié)構(gòu)框圖,1

53、12,4.9 DMA內(nèi)核,典型的DMA傳輸過程 CPU通過寫控制端口配置DMA控制器用于數(shù)據(jù)傳輸 DMA控制器向CPU發(fā)出HOLD信號請求使用總線； CPU響應(yīng)DMA控制器，并將總線讓出，DMA控制器獲得總線控制權(quán)； DMA控制器讀端口從源地址（可能是存儲器或外設(shè)）讀數(shù)據(jù)，寫端口向目的地址（可能是存儲器或外設(shè)）寫數(shù)據(jù)，讀寫端口間利用FIFO緩存數(shù)據(jù)。 當(dāng)傳輸完指定的數(shù)據(jù)，或數(shù)據(jù)包結(jié)束信號有效時，DMA傳輸結(jié)束。傳輸結(jié)束時，DMA控制器發(fā)出中斷請求。 CPU響應(yīng)DMA數(shù)據(jù)傳輸完成事件后，DMA控制器撤銷HOLD信號，歸還總線控制權(quán)，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。,113,4.9 DMA內(nèi)核,DMA寄存器描述,D

54、MA控制器結(jié)構(gòu)框圖,源地址,目的地址,長度,控制,狀態(tài),114,4.9 DMA內(nèi)核, DMA 配 置 選 項(xiàng) 卡,SPI配置選項(xiàng)卡,Transfer Size: DMA長度寄存器的寬度，范圍為132。它確定了在一次DMA傳輸中可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量。,Burst Transactions： 允許突發(fā)傳輸：使能該選項(xiàng)可允許DMA操作支持突然傳輸模式的器件。,FIFO Implementation： FIFO的構(gòu)成： 寄存器 嵌入式存儲器模塊,115,4.9 DMA內(nèi)核, DMA 配 置 選 項(xiàng) 卡,SPI配置選項(xiàng)卡,高級選項(xiàng) 設(shè)計(jì)者可定制DMA控制器硬件支持的數(shù)據(jù)寬度。 禁止不必要的傳輸寬度可減少D

55、MA控制器內(nèi)核所消耗的片內(nèi)邏輯資源數(shù)量。,116,4.9 DMA內(nèi)核,軟件編程 ioctl()操作：用戶可通過ioctl()來控制DMA控制器的硬件相關(guān)部分。HAL層中定義了2個ioctl函數(shù)分別用于輔助接收通道驅(qū)動程序和輔助發(fā)送通道驅(qū)動程序：alt_dma_rxchan_ioctl()和alt_dma_txchan_ioctl(). 軟件文件：DMA控制器還包括下列文件 altera_avalon_dma_regs.h定義DMA內(nèi)核的寄存器映射，提供底層硬件訪問宏定義。 altera_avalon_dma.h，altera_avalon_dma.c實(shí)現(xiàn)HAL系統(tǒng)庫的DMA控制器設(shè)備驅(qū)動程序。

56、,117,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器內(nèi)核 4.5 定時器內(nèi)核 4.6 UART內(nèi)核 4.7 JTAG_UART內(nèi)核 4.8 SPI內(nèi)核 4.9 DMA內(nèi)核 4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核 4.11 帶Avalon接口的郵箱內(nèi)核 4.12 System ID內(nèi)核,本章內(nèi)容,118,NIOSII開發(fā)支持多處理器，可以將多個處理器集成到一個FPGA中，從而形成多處理器系統(tǒng)。 SOPC Builder提供了支持多處理器的外設(shè)互斥核和郵箱內(nèi)核。,4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核,11

57、9,互斥內(nèi)核描述：多處理器環(huán)境可使用帶Avalon接口的互斥內(nèi)核來協(xié)調(diào)對共享資源的訪問。 互斥內(nèi)核提供了一個協(xié)議，可確保對一個共享資源的互斥占有。 互斥內(nèi)核提供一個基于硬件的操作，允許多處理器系統(tǒng)中的軟體來決定哪個處理器擁有互斥體。 互斥內(nèi)核有一個簡單的Avalon從控制器接口，包含2個32位存儲器映射寄存器mutex和reset.,4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核,120,4.10 帶Avalon接口的互斥內(nèi)核,互斥內(nèi)核描述及其基本操作,互斥內(nèi)核描述：互斥內(nèi)核存儲器映射,當(dāng)VALUE字段為0 x0000時，互斥體可用，否則互斥體不可用； Mutex寄存器總是可讀的。一個處理器可通過讀取

58、mutex寄存器來確定其當(dāng)前的狀態(tài)。 mutex寄存器只在特定的條件下可寫。 處理器可通過將它的ID寫入OWNER字段和向VALUE字段寫入一個非零值來獲取互斥體。 系統(tǒng)復(fù)位后，reset寄存器的RESET位為高電平。,121,4.10帶Avalon接口的互斥內(nèi)核,互斥內(nèi)核配置選項(xiàng) 硬件設(shè)計(jì)者可利用互斥內(nèi)核的SOPC Builder配置向?qū)碓O(shè)定內(nèi)核的硬件特性。配置向?qū)峁┝艘韵略O(shè)置： Initial Value復(fù)位后VALUE字段的初始值。如果Initial Value設(shè)置成非零值，還必須設(shè)定Initial Owner。 Initial Owner復(fù)位后OWNER字段的初始值。當(dāng)Initia

59、l Owner被設(shè)定時，此時的互斥體擁有者必須在互斥體被其它擁有者占用之前將互斥體釋放。,122,4.10帶Avalon接口的互斥內(nèi)核,軟件編程 對于Nios處理器用戶，Altera提供了可用來訪問互斥內(nèi)核硬件的驅(qū)動程序，利用驅(qū)動程序可以直接對低層的硬件進(jìn)行操作?；コ鈨?nèi)核不能通過HAL API或ANSIC標(biāo)準(zhǔn)庫來訪問。在Nios處理器系統(tǒng)中，處理器通過將它的cpuid控制寄存器的值寫入mutex寄存器的OWNER字段來鎖定互斥體。 Altera為互斥內(nèi)核提供下列驅(qū)動程序文件： altera_avalon_mutex_regs.h altera_avalon_mutex.h altera_avalon_mutex.c,123,4.10帶Avalon接口的互斥內(nèi)核,軟件編程,硬件互斥體函數(shù),124,4.1 并行輸入/輸出(PIO)內(nèi)核 4.2 SDRAM控制器內(nèi)核 4.3 CFI(通用Flash)控制器內(nèi)核 4.4 EPCS控制器