nios2+c语言编程方法Nios2系列教程

最小的Nios2系统前言2003年Altera推出了第一代32位Nios系统，开创了FPGA内构建高性能单片机的先河。

随之2004年，Nios系统升级为Nios2系统，解决了软硬件开发中一些不方便的问题，软件开发环境从命令行编译转移到Eclips的IDE集成开放环境。

Nios2开发环境从1.0、1.1到1.2逐步升级。

后来为了和QuartusII软件升级同步，从QuartusII5.0版本开始Nios2的版本号正式和QuartusII统一。

作者我亲身经历过整个Nios2发展历程，深知Nios2的不同版本发生的巨大变化。

目前网上流行的Nios2教程针对的版本相对较老，已经对初学者学习Nios2起不到指导作用，并且应广大爱好者的强烈要求，我在此使用QuartusII和Nios2的8.0版本详细叙述Nios2的开发流程。

构建一个Nios2最小系统需要什么构建一个Nios2最小系统需要具备以下资源：★Nios2软核处理器★内存★Jtag_uart调试接口1. Nios2软核处理器：这就是Nios2处理器的核心CPU，所有的外设都是和这个CPU通过Avalon总线连接到一起的。

2. 内存：编译后的程序代码需要通过下载线下载到该内存中，然后CPU的程序指针跳转到内存的首地址开始执行程序。

3. Jtag_uart调试接口：想要用单步调试等调试功能控制程序执行和查看程序变量，那么就需要这个调试接口。

开始构建一个再简单不过的Nios2工程整个步骤由2部分组成，第一部分建立Nios2硬件SOPC工程，第二部分建立Nios2软件工程。

1．建立Nios2硬件SOPC工程建立Nios2硬件SOPC工程就是设计一个软核CPU和它的外设，编译成硬件电路放到FPGA芯片里面。

这时候可以认为FPGA就是一个32位的单片机了，下面的软件开发都是针对这个单片机的。

打开QuartusII软件，新建一个工程选择EP2C8Q208C8芯片。

打开Tools－>SOPC Builder菜单，进入SOPC Builder界面，新建一个名为nios32的SOPC文件，语言可以选择VHDL或者VerilogHDL。

我们一共要添加3个IP模块：Nios2处理器、片上内存和Jtag_uart 调试接口。

1．1在左边的IP导航栏里面双击选择NiosII Processor，然后选择Nios II/e型的处理器。

这个处理器占用FPGA逻辑资源最小。

此时CPU的Reset Vector和Exception Vector都是不可选的，因为还没有设置内存。

在添加了内存后，还要回到这个CPU设置里面设置这两项信息。

1．2在左边的IP导航栏里选择On-Chip Memory(RAM or ROM)使用默认设置就可以了，RAM类型，32位数据宽度，4KB字节容量。

1．3在左边的IP导航栏里选择jtag_uart使用默认设置就可以了。

1．4最后建成的Nios2系统见下面的连接关系图：Avalon总线的连接关系图下图：图中实心的圆圈代表连接，空心的圆圈代表不连接。

cpu做为主设备Onchip_mem和jtag_uart作为从设备，从设备通过数据总线和指令总线连接到主设备上。

Onchip_mem比较特殊，它既连接到cpu的指令总线上，又连接到数据总线上。

这跟我们设计有关，我们是通过调试接口将程序下载到Onchip_mem中，程序然后从Onchip_mem开始执行指令。

程序中产生的变量同时也是存放在Onchip_mem中的。

1．5新建一个Block Diagram/Schematic File作为工程的顶层文件，将刚才制作的Nios32的symbol添加到bdf文件里。

添加时钟和复位信号管脚，定义管脚的管脚号。

最后编译工程，这样Nios2硬件部分的开发就算完成了，可以看到生成的sof和pof下载文件。

2．建立Nios2软件工程建立Nios2软件工程和开发51单片机程序差不多，但是具体细节设置的地方有很多差异的地方。

2．1新建工程打开Nios2软件IDE开发环境，新建一个NiosII C/C++ Application 的工程。

Nios2开发环境还自带了很多模版例子工程，我们这里选择Hello World Small工程。

和51开发不同的是，Nios2可以自定义很多外设。

因此不同的Nios2工程添加的外设可能都不同，需要在新建工程的时候指定你所要开发的那个Nios2硬件工程。

这点很关键，这就是软件工程和硬件工程结合的地方。

一般新建一个工程时，系统会同时建立一个和该应用程序对应的库工程。

库工程里面编译了指定Nios2硬件的外设驱动程序等api函数。

这样就将应用程序和驱动库分离开来，方便用户管理。

开发不同的应用程序时，可以共享一个驱动库。

2．2编译工程建立工程后我们会在导航栏里面看到又两个新建的工程：hello_world_small_0和hello_world_small_0_syslib。

点击编译按钮直接编译工程，最后查看编译结果。

最终生成hello_world_small_0.elf二进制文件，程序代码大小为560个直接，内存剩余3536个字节。

2．3软件在线调试工程工程编译成功后就可以用下载线调试你的程序了。

在Run->Debug菜单里设置下载线和需要调试的软件工程。

Main页面和Target Connection页面里的设置完成后可以点击Debug按钮进行调试。

此时Nios2的开发环境将刚才编译的二进制代码通过USB Blaster下载电缆，下载到FPGA片内的onchip-memory中，然后将Nios2的指令指针指向程序的第一条语句。

注意，在调试程序前必须将硬件开发过程中生成的sof文件下载到FPGA里，否则FPGA里面是没有Nios2的CPU软核，程序将无法下载。

这时程序会停在man函数的第一条语句，点击全速运行按键，我们会在控制台里面看到程序运行的结果。

程序在控制台里打出一段字符串，这就是整个程序的运行结果。

总结上面我们通过建立一个Nios2的最小系统，带领大家走过了从硬件到软件整个开发流程，看到了Nios2运行的结果。

通过这个简单的例子，我们劈开了很多复杂繁琐的设置过程，让Nios2清晰的展现在大家面前。

Nios2的开发不是想象中那么神秘，我们只要循序渐进的学习才能真正领会Nios2的强大和灵活。

上面的例子只是展示了一个可以运行的Nios2，它的功能非常简单，简单到只能完成打印一行字符串。

由于受到FPGA片内存储器资源的限制，我们不能构建功能更加强大的代码，因此需要片外扩展Sdram来存储更大的程序代码。

另外，我们的程序是在线下载到内存里面的，断电后程序代码也会消失，我们需要一个外部非易失的存储器如Flash 来存储CPU的软件代码。

下一篇教程，我们将介绍如何扩展外部存储器Sdram和Flash。

程序代码：nios2 c语言编程方法Nios2系列教程2nios2的C语言和X86或者单片机C语言很相似，上层的标准C库函数都是一样的,区别在于与底层硬件相关的各个外设寄存器的结构不同。

如果我们把访问底层硬件寄存器的函数封装起来供上层调用，平台之间的移植就显得很容易了。

下面我总结了一些外设的寄存器结构以及用于访问寄存器的函数。

1.可编程输入、输出口PIO//Defined in pio_struct.h// PIO Peripheral// PIO Registerstypedef volatile struct{int np_piodata; // read/write, up to 32 bitsint np_piodirection; // write/readable, up to 32 bits, 1->output bitint np_piointerruptmask; // write/readable, up to 32 bits, 1->enable interruptint np_pioedgecapture; // read, up to 32 bits, cleared by any write} np_pio;#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_PIO_DATA(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 0)#define IORD_ALTERA_A V ALON_PIO_DATA(base) IORD(base, 0)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_PIO_DATA(base, data) IOWR(base, 0, data)#define IOADDR_ALTERA_AV ALON_PIO_DIRECTION(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 1)#define IORD_ALTERA_A V ALON_PIO_DIRECTION(base) IORD(base, 1)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_PIO_DIRECTION(base, data) IOWR(base, 1, data)#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_PIO_IRQ_MASK(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 2)#define IORD_ALTERA_A V ALON_PIO_IRQ_MASK(base) IORD(base, 2)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_PIO_IRQ_MASK(base, data) IOWR(base, 2, data)#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_PIO_EDGE_CAP(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 3)#define IORD_ALTERA_A V ALON_PIO_EDGE_CAP(base) IORD(base, 3)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_PIO_EDGE_CAP(base, data) IOWR(base, 3, data)2。

可编程定时器// Timer Peripheral// Timer Registerstypedef volatile struct{int np_timerstatus; // read only, 2 bits (any write to clear TO)int np_timercontrol; // write/readable, 4 bitsint np_timerperiodl; // write/readable, 16 bitsint np_timerperiodh; // write/readable, 16 bitsint np_timersnapl; // read only, 16 bitsint np_timersnaph; // read only, 16 bits} np_timer;// Timer Register Bitsenum{np_timerstatus_run_bit = 1, // timer is runningnp_timerstatus_to_bit = 0, // timer has timed outnp_timercontrol_stop_bit = 3, // stop the timernp_timercontrol_start_bit = 2, // start the timernp_timercontrol_cont_bit = 1, // continous modenp_timercontrol_ito_bit = 0, // enable time out interruptnp_timerstatus_run_mask = (1<<1), // timer is runningnp_timerstatus_to_mask = (1<<0), // timer has timed outnp_timercontrol_stop_mask = (1<<3), // stop the timernp_timercontrol_start_mask = (1<<2), // start the timernp_timercontrol_cont_mask = (1<<1), // continous modenp_timercontrol_ito_mask = (1<<0) // enable time out interrupt};#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_TIMER_STATUS(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 0) #define IORD_ALTERA_A V ALON_TIMER_STATUS(base) IORD(base, 0)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_TIMER_STATUS(base, data) IOWR(base, 0, data)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_STATUS_TO_MSK (0x1)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_STATUS_TO_OFST (0)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_STATUS_RUN_MSK (0x2)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_STATUS_RUN_OFST (1)#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 1) #define IORD_ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL(base) IORD(base, 1)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL(base, data) IOWR(base, 1, data)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_ITO_MSK (0x1)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_ITO_OFST (0)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_CONT_MSK (0x2)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_CONT_OFST (1)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_START_MSK (0x4)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_START_OFST (2)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_STOP_MSK (0x8)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_CONTROL_STOP_OFST (3)#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODL(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 2) #define IORD_ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODL(base) IORD(base, 2)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODL(base, data) IOWR(base, 2, data)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODL_MSK (0xFFFF)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODL_OFST (0)#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODH(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 3) #define IORD_ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODH(base) IORD(base, 3)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODH(base, data) IOWR(base, 3, data)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODH_MSK (0xFFFF)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_PERIODH_OFST (0)#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPL(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 4) #define IORD_ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPL(base) IORD(base, 4)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPL(base, data) IOWR(base, 4, data)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPL_MSK (0xFFFF)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPL_OFST (0)#define IOADDR_ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPH(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 5) #define IORD_ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPH(base) IORD(base, 5)#define IOWR_ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPH(base, data) IOWR(base, 5, data)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPH_MSK (0xFFFF)#define ALTERA_A V ALON_TIMER_SNAPH_OFST (0)// Timer Routinesint nr_timer_milliseconds(void); // Starts on first call, hogs timer1.// file: timer_milliseconds.c//// A simple milliseconds counter that REQUIRES a timer// named na_timer1, and hogs it completely up.//#include "excalibur.h"#ifdef na_timer1static void timer_isr_handler(int context);static int milliseconds_count;int nr_timer_milliseconds(void){static int running_yet = 0;if(!running_yet){milliseconds_count = 0;nr_installuserisr(na_timer1_irq,timer_isr_handler,0);na_timer1->np_timerperiodl = (nasys_clock_freq_1000) & 0x0000ffff;na_timer1->np_timerperiodh = (nasys_clock_freq_1000 >> 16) & 0x0000ffff;na_timer1->np_timercontrol =np_timercontrol_start_mask| np_timercontrol_cont_mask| np_timercontrol_ito_mask;running_yet = 1;}return milliseconds_count;}static void timer_isr_handler(int context){milliseconds_count++;na_timer1->np_timerstatus = 0; // write to clear the IRQ }#endif// end of file3。