3 系統軟件設計

　　本系統主要的開發調試工具有SOPC Builder、Quartus II和 NIOS II IDE。SOPC Builder是一個自動化的系統開發工具，它能夠極大地簡化高性能SOPC的設計工作；Quartus II是Altera公司推出的CPLD/FPGA開發工具，Quartus II提供了完全集成且與電路結構無關的開發包環境，具有數字邏輯設計的全部特性，主要用于system-on-a-programmable-chip （SOPC）的設計環境；NIOS II IDE是NIOS II系列嵌入式處理器的基本軟件開發工具。所有軟件開發任務都可以NIOS II IDE下完成，包括編輯、編譯和調試程序。

　　3.1．系統軟件配置

　　采用NIOS處理器開發設計與采用傳統的處理器開發設計不同，開發者必須先配置處理器結構、設置接口等內容。也就是說，開發者必須根據實際需求構建一個處理器，而傳統的處理器具有固定接口、片內RAM和外部設備。系統設計所需的具體軟件配置如下：

　?。?）用SOPC Builder系統綜合軟件來進行NIOS軟核的軟件配置，包括NIOS CPU配置、片上ROM及RAM設置、FLASH設置、SDRAM設置、JTAG調試配置、加入定時器、加入外部RAM總線——Avalon三態總線橋、通訊接口、按鍵PIO與LED PIO設置、指定基地址和配置NIOS軟核，這樣整個NIOS軟核已經配置完畢，之后需要編譯，并生成圖形文件，成為Quartus II設計的一部分。

　?。?）使用Quartos II軟件來選取具體的Altera可編程器件系列，并對SOPC Builder生成的HDL設計文件進行布局布線；再使用Quartos II軟件選取目標器件并對NIOS II系統上的各種I/O口分配管腳，另外還要根據要求進行硬件編譯選項或時序約束的設置。在編譯的過程中，Quartos II從HDL源文件綜合生成一個適合目標器件的網表。最后生成配置文件。

　?。?）使用Quartos II編程器和Altera下載電纜，將配置文件下載到開發板上。當校驗完當前硬件設計后，再將新的配置文件下載到開發板上的非易失存儲器里。

　　3.2．嵌入式實時操作系統MicroC/OS-II的應用設計

　　目前比較流行的嵌入式操作系統主要有MicroC/OS-II ， MicroCLinux，VxWorks等，考慮到系統資源以及NIOS II IDE 開發環境包含MicroC/OS-II實時操作系統，為設計者提供快速地搭建基于NIOS II處理器的MicroC/OS-II應用程序的能力，， 故本系統的操作系統選用MicroC/OS-II 。MicroC/OS-II 是一種可固化、可剪裁、占先式的多任務實時操作系統內核。它為每個任務分配單獨的堆棧， 提供多種系統服務可進行中斷管理。

　　創建一個基于NIOS II處理器的MicroC/OS-II軟件過程包含以下步驟：創建一個新的NIOS II IDE工程；設定MicroC/OS-II軟件工程庫；建立并運行NIOS II 下的MicroC/OS-II軟件工程。

　　一、 創建一個新的NIOS II IDE工程

　　創建一個新的NIOS II IDE工程的方法比較簡單，基本上按照向導就能完成，要注意的是在 Project Template（工程模板）選擇中， 要選擇 the MicroC/OS-II Tutorial，在New System Library Dialog Box 頁面中的Select Type of system library欄中要選擇MicroC/OS-II。

　　二、設定MicroC/OS-II的步驟

　?。?）． 在NIOS II IDE的C/C++ Projects視圖中，右鍵在系統庫上單擊std_system_lib。

　?。?）． 在彈出的菜單中選擇Properties打開Properties對話框。

　?。?）． 單擊System Library顯示system library選項。

　?。?）．單擊在RTOS 下面的RTOS Options。彈出MicroC/OS-II RTOS Options對話框。

　?。?）．單擊“＋”在在左邊的面板中，展開MicroC/OS-II目錄。MicroC/OS-II是高度映射可設定的。你選定的對話框中的選項被保存在os_cfg.h文件中。選定的MicroC/OS-II選項被包含在二進制中。通過單擊MicroC/OS-II下每一個選項檢查你所能選擇的選項。

　?。?）．選擇默認設置單擊OK。你將返回系統庫選項對話框，然后單擊OK完成設置。

　　三、建立并運行NIOS II 下的MicroC/OS-II軟件工程

　　在這一部分，在嵌入式系統中設計并運行一個MicroC/OS-II程序，通過在嵌入式操作系統MicroC/OS-II下編寫2個互相調用任務來測試本系統的運行情況。

　　1．打開ucosii_tutorial.c

　　2．頭文件加入如下代碼

　　#include “system.h”

　　#include “altera_avalon_pio_regs.h”

　　#include “alt_types.h”

　　3．加入相關定義

　　#define TASK_STK_SIZE 1024

　　#define TaskStart_ID 0

　　#define Task1_ID 1

　　#define Task2_ID 2

　　#define TaskStart_Prio 1

　　#define Task1_Prio 4

　　#define Task2_Prio 3

　　OS_STK TaskStk［N_TASKS］［TASK_STK_SIZE］;

　　OS_EVENT *AckMbox;

　　OS_EVENT *TxMbox

　　4．在初始化函數 initCreateTasks函數中加入如下代碼

　　OSTaskCreateExt（TaskStart， 0， &TaskStk［0］［TASK_STK_SIZE-1］， TaskStart_Prio， TaskStart_ID， &TaskStk［0］［0］， TASK_STK_SIZE， 0， OS_TASK_OPT_STK_CHK ）;

　　OSTaskCreateExt（Task1， 0， &TaskStk［1］［TASK_STK_SIZE-1］， Task1_Prio， Task1_ID， &TaskStk［2］［0］， TASK_STK_SIZE， 0， OS_TASK_OPT_STK_CHK ）;

　　OSTaskCreateExt（Task2， 0， &TaskStk［2］［TASK_STK_SIZE-1］， Task2_Prio， Task2_ID， &TaskStk［3］［0］， TASK_STK_SIZE， 0， OS_TASK_OPT_STK_CHK ）;

　　5．增加執行2任務互相調用的代碼

　　void Task1（void * pParam）

　　{ //往接收消息隊列發送A

　　char txmsg;

　　INT8U err;

　　txmsg = ‘A’;

　　while（1）

　　{

　　OS_ENTER_CRITICAL（）;

　　printf（ “Hello from task1\n” ）;

　　OS_EXIT_CRITICAL（）;

　　OSMboxPost（TxMbox， &txmsg）;

　　OSMboxPend（AckMbox， 0， &err）;

　　OSTimeDly（2）;

　　}

　　}

　　void Task2（void * pParam）

　　{

　　char *rxmsg;

　　INT8U err;

　　while（1）

　　{

　　rxmsg = OSMboxPend（TxMbox， 0， &err）;

　　OS_ENTER_CRITICAL（）;

　　printf（ “Hello from task2\n” ）;

　　OS_EXIT_CRITICAL（）;

　　OSTimeDly（2）;

　　OSMboxPost（AckMbox， （void*）1）;

　　}

　　}

　　6、 選擇Run As 》 NIOS II Hardware （Run menu中）創建程序，下載它到試驗板中并運行。下載完成后，當執行這兩個任務時，任務一返回：“Hello from task1”；而任務二返回：“Hello from task2”，兩個任務之間互相調用。

　　得到測試結果如圖2：

　　圖2 MicroC/OS系統測試結果

　　從測試結果中可以看出，任務一和任務二被反復的調用，這與預期中執行的結果相同，說明系統能夠在FPGA中穩定運行。

　　四、結束語

　　本文介紹的基于FPGA的嵌入式系統設計達到了預期效果， CPU 本身是以軟核的方式實現， 其功能可根據需要進行定制， 非常靈活。嵌入式MicroC/OS-II 操作系統的32 位嵌入式微處理器進行核心控制，利用它強大的運算處理能力，不僅減少了系統所用的器件數量和系統的尺寸，更提高了系統的可靠性和靈活性。該設計為嵌入式系統設計提供了一條新思路，體現了FPGA的靈活性、高集成性等特性，大大降低了成本，縮短了開發時間。