SOPC课程设计实验报告--万年历

FPGA-CPLD原理及应用课程设计报告

题目： 万年历

学院: 信息与电子工程学院 专业: 电子科学与技术 学号:

姓名: 指导老师:

时间：2013-7-15～2013-7-20

一、摘要

本文介绍了一种基于片上可编程系统(SOPC)设计万年历的方法。本次设计从系统硬件出发,由CPU，总线，RAM，外接设备等构成SOPC Builder的硬件系统，通过Nios II DE2开发的嵌入式软件编写并嵌入SOPC Builder的硬件中实现万年历的整体开发。通过应用SoPC Builder开发工具，设计者可以摆脱传统的、易于出错的软硬件设计细节，从而达到加快项目开发、缩短开发周期、节约开发成本的目的并具有高集成度、设计灵活和可移植性较好。 关键词：万年历 SOPC SOPC Builder Nios II DE2

二、设计要求

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1行显示年、月、日；第2行显示时、分、秒。用输入BUTTON[0]来控制LCD行的修改，同时让Nios II DE2开发板上的绿色发光二极管亮灭来表示这个选择。当BUTTON[0]按一下后，LEDG3亮，可以修改年、月和日的数字；再按一下BUTTON[0]后，LEDG3灭，可以修改时、分和秒的数字。

另外用输入按钮BUTTON[3]来控制日期和时间的修改，当处于日期修改方式时，每次按动一次BUTTON[3]，依次更换“年”、“月”和“日”的修改。当处于时间修改方式时，每次按动一次BUTTON[3]，依次更换“时”、“分”和“秒”的修改。修改对象被选中后，按动BUTTON[2]输入按钮可以增加显示的数字；按动BUTTON[1]输入按钮可以减少显示的数字。

三、设计内容

1、按键信息

BUTTON[3]：“年”、“月”、“日”或“时”、“分”、“秒”切换键 BUTTON[2]：+键 BUTTON[1]：-键 BUTTON[0]：“年”、“月”、“日”与“时”、“分”、“秒”切换键 显示信息

LCD_Line1：显示“年”、“月”、“日” LCD_Line1：显示“时”、“分”、“秒”

2、SOPC Builder 硬件建立

SOPC Builder是在Quartus II里的SOPC Builder进行的，先建立工

程，在SOPC Builder里添加硬件，包括CPU ，jtag_uart ，RAM，LCD，PIO，按键，LED，以及LCD_ON。 3、Quartus II硬件处理

硬件会自动建立一个顶层模块，通过建一个原理图来对对应的硬件进行输入输出的添加，再锁定引脚，编译工程，硬件下载。 4、Nios II DE2嵌入软件编写

在Nios II里建立工程，选择相应的模块，编写需要嵌入的软件，添加

缺少的头文件对应的宏定义，编译工程，进行软件下载，在观察结果。

四、设计步骤

1、打开Quartus II新建工程

1

2、打开SOPC Builder生成相应的硬件如图所示

建立好后点击Generate运行，看是否出错,然后点击exit退出。

3、调用刚才生成的硬件系统，在Quartus II中建立图形文件，然后进行引脚

锁定。

引脚锁定引脚文件如下： #Setup.tcl

#Setup pin setting

set_global_assignment -name RESERVE_ALL_UNUSED_PINS \"AS INPUT TRI-STATED\"

set_global_assignment -name ENABLE_INIT_DONE_OUTPUT OFF set_location_assignment PIN_N2 -to clk set_location_assignment PIN_V18 -to led[3] set_location_assignment PIN_W19 -to led[2] set_location_assignment PIN_AF22 -to led[1] set_location_assignment PIN_AE22 -to led[0] set_location_assignment PIN_W26 -to KEY[3] set_location_assignment PIN_P23 -to KEY[2] set_location_assignment PIN_N23 -to KEY[1] set_location_assignment PIN_G26 -to KEY[0] set_location_assignment PIN_K4 -to LCD_RW set_location_assignment PIN_K3 -to LCD_EN set_location_assignment PIN_K1 -to LCD_RS set_location_assignment PIN_L4 -to LCD_ON

set_location_assignment PIN_J1 -to LCD_DATA[0] set_location_assignment PIN_J2 -to LCD_DATA[1] set_location_assignment PIN_H1 -to LCD_DATA[2] set_location_assignment PIN_H2 -to LCD_DATA[3] set_location_assignment PIN_J4 -to LCD_DATA[4] set_location_assignment PIN_J3 -to LCD_DATA[5] set_location_assignment PIN_H4 -to LCD_DATA[6] set_location_assignment PIN_H3 -to LCD_DATA[7] 然后进行编译，在Quartus I下生成文件如下图：

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4、Nios II运行

打开Nios II IDE2，建立工程，选择count_binary模块，添加一个LCD.h的顶层文件。

LCD.h的顶层文件为： #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 //_LCD_H_

然后建立count_binary的C++文件。 C++文件见附件。

5、连接开发板，将文件下载到开发板，运行文件检验是否正确。 6、检查错误并修改，知道结果正确。

五、运行情况与问题分析

1、建立工程时，注意不能出现中文或者空格，且工程名需与文件名一致，选定芯片；

2、在生成CPU硬件系统时，定义端口时，需注意设定端口输入与输出的位宽，需与程序定义的数值一致，否则运行溢出报错，须修改；

3、建立图形文件后，需进行编译，出现错误得返回原理图核对，找到错误修改后重新编译；

4、进行引脚锁定时，注意引脚文件的编写，否则选择引脚文件点击Run后会不成功，从而影响后面程序的调试；

5、当日数为31时，调节月份日期不会随机改变，就会出现4月31日等错误，加入程序段但是还是没有完成跳变；

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6、程序中闪烁程序段、跳变程序段不执行，程序还需后续修改。

六、结论

采用NIOSⅡ集成开发环境提供的快捷开发手段，在EP4CE115F29C7N芯片上创建了一个用户定制CPU和外设的片上系统，同时完成对液晶显示器和LED的编程控制。整个系统充分体现了SOPC设计方法的灵活性，设计时只定制系统需要的外设器件接口，避免过多的外围电路和器件造成体积、功耗的增多和可靠性的下降。由于采用软核结构，方便系统的升级和扩展，而不必硬件改版，节约了成本，加快开发进度，缩短了产品的开发周期。综上所述，万年历的设计思想新颖独特，

有很多创新之处。

七、心得体会

经过本次SOPC课程设计实验，使我更加熟悉了Quartus Ⅱ与Nios Ⅱ DE2以及开发板的使用，熟练掌握了从理论设计到硬件开发的流程，了解了万年历通过编程实现的整个过程。从整个实验实现的过程中，碰到一些以前未出现过的问题，在自己的努力以及同学、老师的帮助下，使自己的理论及操作水平有所提高，在此我要郑重感谢指导老师。

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附 件

C++程序代码如下：

/*

* \"Hello World\" example. *

* This example prints 'Hello from Nios II' to the STDOUT stream. It runs on

* the Nios II 'standard', 'full_featured', 'fast', and 'low_cost' example * designs. It runs with or without the MicroC/OS-II RTOS and requires a STDOUT

* device in your system's hardware.

* The memory footprint of this hosted application is ~69 kbytes by default * using the standard reference design. *

* For a reduced footprint version of this template, and an explanation of how

* to reduce the memory footprint for a given application, see the * \"small_hello_world\" template. * */

#include

#include \"altera_avalon_pio_regs.h\" #include \"alt_types.h\" #include \"system.h\"

#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 //_LCD_H_

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int year=2013; int month=7; int day=15; int hour=20; int minute=25; int second=30; int selectkey=1; int selectkeylr=1; int ms=0; int KEY=0;

int shift=0,con=0,step=0;

//#include \"basic_io.h\" volatile int edge_capture;

void LCD_Init() {

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) {

int i;

for(i=0;ilcd_write_data(LCD_BASE,Text[i]); usleep(2000); } }

void LCD_Line1() {

lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x80); usleep(2000); }

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void LCD_Line2() {

lcd_write_cmd(LCD_BASE,0xC0); usleep(2000); }

//==========判断按键================= int push_button(void){

if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==14) {while(1){if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==15)break;}return 1;}

if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==13) {while(1){if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==15)break;}return 2;}

if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==11) {while(1){if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==15)break;}return 3;}

if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==7) {while(1){if(IORD(KEY_PIO_BASE, 0)==15)break;}return 4;}

else return 0; }

//==========判断按键=================

//==========修改时间================= void modify(void) {

if(shift==2){//修改时间

if(con==0){hour+=step;if(hour>=24||hour<0)hour=0;} else if(con==1){minute+=step;if(minute>=60||minute<0) minute=0;}

else if(con==2){second +=step;if(second>=60||second<0) second=0;} }

if(shift==1){//修改date

if(con==0) {year+=step;if(year<0)year=0;}

else if(con==1){ month+=step;if(month>12||month<0)month=0;} else if(con==2) {day +=step;if(day>31||day<0)day=0;} }

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step=0; }

//==========修改时间================= int main() {

/* printf(\"%d-%2d-%d\\n\ lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x0f); usleep(1000000);

lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x10); usleep(1000000);

lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x10); usleep(1000000);

lcd_write_cmd(LCD_BASE,0x03); usleep(1000000);

lcd_write_data(LCD_BASE,'c'); */

while(1){ if(ms%10==0){

if(ms/10==1){//显示

if(shift==1){ //date

if(con==0)//year

printf(\" -%2d-%d\\n\",month,day); if(con==1)//month

printf(\"%d- -%d\\n\",year,day); if(con==2)//day

printf(\"%d-%2d- \\n\",year,month);

printf(\"%d:%d:%2d\\n\",hour,minute,second); //time }

if(shift==2){

printf(\"%d-%2d-%d\\n\",year,month,day); if(con==0)//hour

printf(\" :%d:%2d\\n\",minute,second); if(con==1)//minute

printf(\"%d: :%2d\\n\",hour,second); if(con==2)//second

printf(\"%d:%d: \\n\",hour,minute); } }

else {

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printf(\"%d-%2d-%d\\n\",year,month,day); printf(\"%d:%d:%2d\\n\",hour,minute,second); } }

usleep(50000); ms++; if(ms==20){ ms=0; second++; }

if(second==60){ minute++; second=0; if(minute==60){ minute=0; hour++; if(hour==24){ hour=0; day++; if(day==31){ day=1; month++; if(month==12){ month=1; year++; } } } } }

//=============检测按键 KEY=push_button(); switch(KEY){

case 1: shift++;if(shift>=3)shift=0; break; case 2: step=1;break; case 3: step=-1;break;

case 4: con++;if(con>=3)con=0; break; default :break; } modify();

//=============检测按键 } return 0; }

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实验结果：

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