FPGA Nios嵌入式处理器的硬件开发

　　本章将介绍Nios 处理器的硬件开发环境和硬件开发的整个流程。一个简单Nios 开发系统包括Nios 嵌入式处理器和连接外设的输入输出设备， 硬件开发就是利用SOPC Builder 整合处理器和接口控制器，在Quartus II 软件下编译生成模块并配置到开发板上的FPGA 器件中，最后将FPGA 器件的外部物理引脚连接到其它硬件上。用户建立开发环境时，要满足以下硬件和软件的要求。

　　 Windows NT/2000/XP 系统

　　 嵌入式Nios 处理器3.02 版本以及SOPC Builder 软件2.82 版本以上。

　　 Quartus II 2.2 SP1 版本或更高版本。

　　 Nios 开发板和开发工具包。

　　Nios 系统的开发包括硬件开发和软件开发。图1 描述了创建一个nios 系统、移植设计到nios 开发板的全过程，左边描述了硬件设计流程，右边描述了软件设计流程。

　　图中可以看出，SDK 是硬件和软件开发的交汇点。为获得一个完整的、可靠的系统，有必要了解一下系统的软件和硬件开发流程。即使软件和硬件分别由不同的小组开发，都有必要了解软件和硬件开发的流程。整个系统的开发过程分为如下步骤：

　　1. 第一步：

　　系统需求分析：

　　1） 系统需要实现的计算性能

　　2） 系统需要的位宽和吞吐量

　　定制具体的系统需求：

　　1） CPU 是否需要硬件乘法器

　　2） 系统需要什么外设

　　3） 是否需要DMA 通道

　　这些步骤包含了软件和硬件两方面的设计。

　　2. 第二步：

　　1） 硬件设计组：使用SOPC 软件进行硬件设计，生成定制的CPU 和SDK

　　2） 软件设计组：编写与硬件平台无关的C/C++代码

　　3. 第三步：

　　1） 硬件设计组：使用Quartus II 进行系统级设计（附加外设，排列管脚）

　　2） 软件设计组：根据SDK，编写底层驱动。

　　4. 第四步：

　　1） 软件设计组：编译连接设计目标平台代码。

　　5. 第五步：

　　1） 硬件设计组：对所设计的硬件进行测试。

　　2） 软件设计组：对所涉及的软件进行测试。

　　6. 判断设计是否满足系统需求，如不满足，修改前几部分设计。如果满足，则成功建立原型.

　　硬件设计人员首先应该做的是，利用SOPC Builder 选择合适的CPU、内存和外围组件，例如片上存储器、PIOs、UARTs 和片外存储器接口，然后定制好各个器件的功能。SOPCBuilder 为硬件外围组件提供了方便的连接方式，并提供强大的选项，用来提高系统性能。SOPC Builder 按照这些信息，自动生成描述系统硬件的HDL 文件，并生成系统软件开发包（SDK），（图4.1 的第三步）。SDK 包（Software Development Kit）就可以立即应用于系统的嵌入式软件开发。

　　Nios CPU 的一个特色是用户可以定制硬件指令。用户通过设计硬件模块来定制新的硬件指令，完成运算、移位等功能（图4.1 第4 步）。

　　下一步就可以用Quartus II 完成相应的目标硬件的配置。应用Quartus II 软件，选定好目标硬件的型号，为I/O 接口分配管脚，并且设定好编译选项和时序约束条件，然后开始编译（图4.1 第五步）。在整个编译过程中，Quartus II 将根据HDL 源文件，生成综合的网络表文件。QuartusII 中的fitter 工具使网络表与目标硬件相匹配。最后生成器件的配置文件来配置相应的FPGA。

　　应用Quartus II 编程器和Altera 下载电缆，将配置文件下载到用户的目标板上或开发板上（图4.1 第六步）。经过对硬件上的设计检验，一个新的硬件系统将可以立刻烧写到开发板上的永久存储器上。至此，软件开发人员就开始使用开发板上的硬件平台对软件的功能进行配置。

　　SDK 开发工具包中包含了许多实例，本章接下来的几节将通过其中一个实例，告诉用户如何使用SOPC Builder 和Quartus II 软件在Cyclone 系列开发板上设计自己的Nios系统。