系统软件设计 - 基于FPGA的嵌入式系统设计

　　3 系统软件设计

　　本系统主要的开发调试工具有SOPC Builder、Quartus II和 NIOS II IDE。SOPC Builder是一个自动化的系统开发工具，它能够极大地简化高性能SOPC的设计工作；Quartus II是Altera公司推出的CPLD/FPGA开发工具，Quartus II提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，主要用于system-on-a-programmable-chip （SOPC）的设计环境；NIOS II IDE是NIOS II系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以NIOS II IDE下完成，包括编辑、编译和调试程序。

　　3.1．系统软件配置

　　采用NIOS处理器开发设计与采用传统的处理器开发设计不同，开发者必须先配置处理器结构、设置接口等内容。也就是说，开发者必须根据实际需求构建一个处理器，而传统的处理器具有固定接口、片内RAM和外部设备。系统设计所需的具体软件配置如下：

　　（1）用SOPC Builder系统综合软件来进行NIOS软核的软件配置，包括NIOS CPU配置、片上ROM及RAM设置、FLASH设置、SDRAM设置、JTAG调试配置、加入定时器、加入外部RAM总线——Avalon三态总线桥、通讯接口、按键PIO与LED PIO设置、指定基地址和配置NIOS软核，这样整个NIOS软核已经配置完毕，之后需要编译，并生成图形文件，成为Quartus II设计的一部分。

　　（2）使用Quartos II软件来选取具体的Altera可编程器件系列，并对SOPC Builder生成的HDL设计文件进行布局布线；再使用Quartos II软件选取目标器件并对NIOS II系统上的各种I/O口分配管脚，另外还要根据要求进行硬件编译选项或时序约束的设置。在编译的过程中，Quartos II从HDL源文件综合生成一个适合目标器件的网表。最后生成配置文件。

　　（3）使用Quartos II编程器和Altera下载电缆，将配置文件下载到开发板上。当校验完当前硬件设计后，再将新的配置文件下载到开发板上的非易失存储器里。

　　3.2．嵌入式实时操作系统MicroC/OS-II的应用设计

　　目前比较流行的嵌入式操作系统主要有MicroC/OS-II ， MicroCLinux，VxWorks等，考虑到系统资源以及NIOS II IDE 开发环境包含MicroC/OS-II实时操作系统，为设计者提供快速地搭建基于NIOS II处理器的MicroC/OS-II应用程序的能力，， 故本系统的操作系统选用MicroC/OS-II 。MicroC/OS-II 是一种可固化、可剪裁、占先式的多任务实时操作系统内核。它为每个任务分配单独的堆栈， 提供多种系统服务可进行中断管理。

　　创建一个基于NIOS II处理器的MicroC/OS-II软件过程包含以下步骤：创建一个新的NIOS II IDE工程；设定MicroC/OS-II软件工程库；建立并运行NIOS II 下的MicroC/OS-II软件工程。

　　一、 创建一个新的NIOS II IDE工程

　　创建一个新的NIOS II IDE工程的方法比较简单，基本上按照向导就能完成，要注意的是在 Project Template（工程模板）选择中， 要选择 the MicroC/OS-II Tutorial，在New System Library Dialog Box 页面中的Select Type of system library栏中要选择MicroC/OS-II。

　　二、设定MicroC/OS-II的步骤

　　（1）． 在NIOS II IDE的C/C++ Projects视图中，右键在系统库上单击std_system_lib。

　　（2）． 在弹出的菜单中选择Properties打开Properties对话框。

　　（3）． 单击System Library显示system library选项。

　　（4）．单击在RTOS 下面的RTOS Options。弹出MicroC/OS-II RTOS Options对话框。

　　（5）．单击“＋”在在左边的面板中，展开MicroC/OS-II目录。MicroC/OS-II是高度映射可设定的。你选定的对话框中的选项被保存在os_cfg.h文件中。选定的MicroC/OS-II选项被包含在二进制中。通过单击MicroC/OS-II下每一个选项检查你所能选择的选项。

　　（6）．选择默认设置单击OK。你将返回系统库选项对话框，然后单击OK完成设置。

　　三、建立并运行NIOS II 下的MicroC/OS-II软件工程

　　在这一部分，在嵌入式系统中设计并运行一个MicroC/OS-II程序，通过在嵌入式操作系统MicroC/OS-II下编写2个互相调用任务来测试本系统的运行情况。

　　1．打开ucosii_tutorial.c

　　2．头文件加入如下代码

　　#include “system.h”

　　#include “altera_avalon_pio_regs.h”

　　#include “alt_types.h”

　　3．加入相关定义

　　#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．在初始化函数 initCreateTasks函数中加入如下代码

　　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．增加执行2任务互相调用的代码

　　void Task1（void * pParam）

　　{ //往接收消息队列发送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、 选择Run As 》 NIOS II Hardware （Run menu中）创建程序，下载它到试验板中并运行。下载完成后，当执行这两个任务时，任务一返回：“Hello from task1”；而任务二返回：“Hello from task2”，两个任务之间互相调用。

　　得到测试结果如图2：

　　

　　图2 MicroC/OS系统测试结果

　　从测试结果中可以看出，任务一和任务二被反复的调用，这与预期中执行的结果相同，说明系统能够在FPGA中稳定运行。

　　四、结束语

　　本文介绍的基于FPGA的嵌入式系统设计达到了预期效果， CPU 本身是以软核的方式实现， 其功能可根据需要进行定制， 非常灵活。嵌入式MicroC/OS-II 操作系统的32 位嵌入式微处理器进行核心控制，利用它强大的运算处理能力，不仅减少了系统所用的器件数量和系统的尺寸，更提高了系统的可靠性和灵活性。该设计为嵌入式系统设计提供了一条新思路，体现了FPGA的灵活性、高集成性等特性，大大降低了成本，缩短了开发时间。