我們在讓Altera FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備進行通信方式的時候，通常會用到擁有Avalon接口的通用異步收發(fā)傳輸器——UART IP核。UART核實現(xiàn)了RS-232通訊協(xié)議，并使得大家可以設(shè)置串口通信相關(guān)的波特率、奇偶校驗位、停止位和數(shù)據(jù)位，以及可選的RTS/CTS流控制信號等參數(shù)。

實驗任務(wù)

本節(jié)實驗是：在Qsys系統(tǒng)中通過使用官方UART IP核和PC進行環(huán)回，將收到的字符發(fā)送給PC。

硬件設(shè)計

創(chuàng)建Quartus II 工程

首先要創(chuàng)建Quartus II工程，工程名為“UART_ip”。

創(chuàng)建Qsys系統(tǒng)

實驗中要用到的IP核有：clk（時鐘）、niosII（處理器）、onchip_ram（片內(nèi)存儲）、jtag_uart、sysid_qsys、UART。其中只有UART IP核講解一下，其他的IP核都是按照以前的配置方法進行設(shè)置，從Library中選擇UART IP核（RS-232 Serial Port）并打開，出現(xiàn)以下界面：

這里我們使用默認設(shè)置，直接點擊【Finish】即可。

然后，我們打開niosII IP核配置界面，因為這里只用了onchip_ram IP核存儲代碼和指令，所以需要對相關(guān)的設(shè)置進行修改，在Reset Vector處將Reset vector memory處的選項選為onchip_ram，同時在Exception Vector處也將Exception vector memory處的選項選為onchip_ram。需要注意的是，在系統(tǒng)中加入onchip_ram IP核之后，niosII IP核的Reset Vector和Exception Vector選項中才會出現(xiàn)onchip_ram選項。

添加完IP核后就可以開始連線，大家若是不熟悉怎么連線，可以照著下面完成的Qsys系統(tǒng)界面圖連。需要注意的是，要將UART IP核的端口引出來，引出端口的方法是雙擊IP核的Export一欄，然后修改名稱，按下Enter鍵即可。

然后，點擊System→Assign Base Addresses 讓系統(tǒng)自動分配地址，這里最好把onchip_ram的地址鎖住，這是因為這個IP 核里存儲著指令，最好不要讓其地址發(fā)生變動。鎖住地址的方法是先點擊 IP 核，然后點擊右鍵→Lock Base Address。我們還可以將各個 IP 核的名稱修改一下。最后就是生成系統(tǒng)了，操作可以按照“Hello，World”推送里的進行。

集成Qsys系統(tǒng)

下面兩個圖為集成Qsys關(guān)鍵步驟，詳細集成步驟請參考“Hello，World”推送里的操作。

Quartus II工程中的頂層代碼如下。

編譯和下載

這時，我們便能夠進行編譯查錯了，我們可以通過Quartus II軟件菜單欄中的【Processing】→【Start Compilation】來進行編譯，也可以通過快捷欄中的快捷鍵進行編譯。接下來我們就需要進行配置IO，分配管腳。首先，點擊Quartus II軟件菜單欄中的【Assignment】→【Device】，然后我們在Device界面中找到【Device and Pin Options…】進入頁面配置IO。將未使用引腳設(shè)置為高阻輸入（As input tri-state），這樣上電后FPGA的所有不使用引腳都將進入高阻抗狀態(tài)。

接下來，將一些IO設(shè)置成普通IO，通過雙擊紅框位置，將一個個Value的值修改過來。

通過Quartus II軟件菜單欄中的【Assignments】→【Pin Planner】選項分配引腳

最后我們再進行一次全編譯，成功編譯硬件系統(tǒng)后，將產(chǎn)生用于配置FPGA的UART_ip.sof文件。下面我們就來說明一下將.sof文件下載到FPGA目標器件的步驟。

將下載器一端連接電腦，另一端與開發(fā)板上對應(yīng)端口連接，最后連接電源線并打開電源開關(guān)。接下來我們下載程序。工程打開后通過點擊工具欄中的“Programmer”圖標打開下載界面，通過“Add File”按鈕選擇 output_files 目錄下的“UART_ip.sof”文件。

開發(fā)板電源打開后，在程序下載界面點擊“Hardware Setup”，在彈出的對話框中選擇當(dāng)前 的硬件連接為“USB-Blaster[USB-0]”。然后點擊“Start”將工程編譯完成后得到的 sof 文件下載到開發(fā)板中。

至此，硬件部分設(shè)計完成，下面開始基于Nios II SBT for Eclipse的軟件部分的設(shè)計。

軟件設(shè)計

我們通過Quartus II軟件菜單欄中的【Toos】→【Nios II SBT for Eclipse】，來啟動NiosII SBT for Eclipse軟件。打開Nios II SBT for Eclipse軟件后，會彈出Workspace Launcher頁面。我們這里將工作空間設(shè)置為qsys路徑下的software文件夾，如圖所示。

設(shè)置好工作空間后，我們點擊【OK】進入Nios II SBT for Eclipse軟件主界面中，在該頁面我們通過單擊菜單欄中的【File】→【New】→【Nios II Application and BSP from Template】，來新建工程。

單擊【…】按鈕來選擇qsyshardware下的UART_ip.sopcinfo文件，即指向當(dāng)前硬件設(shè)計系統(tǒng)。Nios II SBT for Eclipse軟件會自動識別Qsys系統(tǒng)中CPU的名稱，所以CPU name一項會自動生成。接下來，要給Nios II SBT for Eclipse軟件中的工程命名，這里的名稱沒有特殊要求，我們這里名為UART。然后將工程存放的位置修改為qsyssoftwareUART。注意不要漏掉了“UART”，不然生成系統(tǒng)的時候會報錯。最后我們來看下Project template窗口，該窗口中陳列的都是已經(jīng)設(shè)計好的軟件工程。我們可以從中選擇一個，作為自己的工程的模板來使用。當(dāng)然也可以選擇Bland Project（空白工程），就需要自己寫所有的代碼。這里我們選擇的是Hello World模板工程，然后我們在它的基礎(chǔ)上進行修改，這樣比空白工程更加方便。設(shè)置完工程后，直接點擊【Finish】完成工程創(chuàng)建。然后，在Nios II SBT for Eclipse軟件的

左側(cè)Project Explorer窗口中有兩個工程：UART 和 UART_bsp。其中UART 是C/C++應(yīng)用工程，而UART_bsp是描述Qsys系統(tǒng)硬件細節(jié)的系統(tǒng)庫。打開UART 工程里的 hello_world.c文件。

我們在這里要驗證之前創(chuàng)建的Qsys系統(tǒng)是否能正常工作，驗證方法和“Hello,World”是一樣的。

這時大家點擊【Run As】→【Nios II Hardware】，然后點擊【Target Connection】標簽，然后在Target Connection窗口中點擊【Refresh Connections】按鈕后。這時軟件便會自動識別我們開發(fā)板上的Qsys系統(tǒng)，并顯示Qsys系統(tǒng)的相關(guān)信息。我們接著點擊【Run】，軟件會把irq.elf文件下載至開發(fā)板中運行起來。更加詳細的圖和文字描述，可以在“Hello,World”下載驗證部分查看。

這時，若之前創(chuàng)建的Qsys系統(tǒng)無誤，代碼下載完成后在Nios II console窗口會顯示“Hello from Nios II!”字符，如下圖所示。

驗證完Qsys系統(tǒng)是否能正常運行之后，我們就可以開始軟件部分的設(shè)計了。這時只需要在當(dāng)前的代碼窗口修改代碼就可以了。

下載驗證

現(xiàn)在可以編譯UART工程了。右鍵UART工程，點擊build project。稍等片刻，Console窗口顯示的內(nèi)容如下圖所示，這表示工程編譯成功。

右鍵UART工程，點擊【Run As】→【Nios II Hardware】，代碼就被下載到開發(fā)板上了。接下來需要連接串口線并利用串口助手進行驗證。